JP6156329B2 - 電気機器ユニットおよび車両 - Google Patents

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Description

本発明は、電気機器ユニットと、電気機器ユニットを搭載する車両に関する。
一般に、燃料電池を搭載する車両には、複数の電気機器が搭載されている。電気機器としては、車両の前側には設けられた駆動モータに接続されるインバータや、車両の床下に配置された燃料電池モジュール等があり、これら電気機器の間はケーブルによって接続されている(例えば、特許文献1)。
特開2010−251182号公報 特開2006−353062号公報 特開2007−141636号公報 特開2013−107448号公報 特開2002−367666号公報
前記従来の技術において、車両が前方から衝突した際には、衝突によって生ずる応力がケーブルを伝わって、後方の燃料電池モジュールとのケーブル接続部分に衝撃を与えることになる。このために、後方の燃料電池モジュールとのケーブル接続部分を破損する虞があった。なお、車両が後方から衝突した場合においても、同様の問題が発生した。
本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の適用例または形態として実現することが可能である。本発明の適用例は、車両に搭載される電気機器ユニットであって、前記車両の駆動モータに電力を供給するインバータと、前記インバータよりも、前記車両の後方側に配置される燃料電池モジュールと、前記インバータと前記燃料電池モジュールとの間をつなぐケーブルと、前記ケーブルを所定の位置に保持し、前記車両の車体に取り付けられた第1のクランプと、を備え、前記第1のクランプは、第1の端部と第2の端部とを有する長尺状の支柱部と、前記第1の端部に連結され、前記ケーブルの一部を囲んで把持する把持部と、前記把持部の一部において、前記ケーブルの軸方向に沿って切り欠かれた開口部と、を有し、前記第1のクランプは、前記支柱部の前記第2の端部から前記第1の端部に向かう向きが前記車両の後ろ側かつ上下のうちの一方の側と一致するように取り付けられ、前記第1の端部に対する前記開口部の向きが、前記第2の端部に対する前記第1の端部の向きと一致している、電気機器ユニットである。その他、本発明は、以下の形態として実現することも可能である。
(1)本発明の一形態は、車両に搭載される電気機器ユニットである。電気機器ユニットは、前記車両の駆動モータに電力を供給するインバータと、前記インバータよりも、前記車両の後方側に配置される燃料電池モジュールと、前記インバータと前記燃料電池モジュールとの間をつなぐケーブルと、前記ケーブルを所定の位置に保持し、前記車両の前後方向の一方側から他方側に向けて取り付けられた第1のクランプと、を備えてよい。前記第1のクランプは、前記ケーブルを把持する把持部と、前記把持部の一部を前記ケーブルの軸方向に切り欠いた開口部と、を有し、前記開口部が、前記他方側に向けて配置されてよい。この電気機器ユニットによれば、衝突等によって車両の前後方向の一方側からケーブルに向けて荷重が加わった際に、第1のクランプの開口部からケーブルが離脱する。このために、ケーブルは、第1のクランプによる拘束が外れて、インバータと燃料電池モジュールとの間の内部空間に逃れることができる。したがって、この電気機器ユニットによれば、前方または後方衝突時において、燃料電池モジュールの電気機器とのケーブル接続部分に生じる応力を抑制することができ、前記ケーブル接続部分の破損を防止することができる。
(2)前記形態の電気機器ユニットにおいて、前記ケーブルは、前記インバータから前記燃料電池モジュールまでの間に、前記車両の前後方向に対して斜行した部分を有し、前記第1のクランプは、前記斜行した部分で前記ケーブルを保持していてもよい。この構成によれば、第1のクランプの開口からケーブルが離脱することを、より容易に行うことができる。
(3)前記形態の電気機器ユニットにおいて、前記ケーブルは、インバータに接続される第1の分割ケーブルと、前記燃料電池モジュールに接続される第2の分割ケーブルとをコネクタによって連結した構成であり、前記第1のクランプは、前記第1の分割ケーブルに取り付けられていてもよい。車両組立の都合上、ケーブルは途中で分断されたものとすることが好ましく、その場合には分割ケーブル間を接続するコネクタが必要となる。この電気機器ユニットによれば、第1のクランプは、コネクタよりもインバータ側の第1の分割ケーブルに取り付けられた構成となることから、上述したように、前方または後方衝突時にケーブルが第1のクランプによる拘束から外れることによって、コネクタに生じる応力を抑制することができ、コネクタの破損を防止することができる。
(4)前記形態の電気機器ユニットにおいて、前記コネクタは、第2のクランプによって所定の位置に保持され、前記第2のクランプは、前記コネクタよりも破壊強度が低くてもよい。この構成によれば、コネクタに過大な応力が生じる前に第2のクランプが応力により先に破壊されることになる。このために、コネクタは、荷重を受けても遊動して、破損することがない。
(5)前記形態の電気機器ユニットにおいて、前記燃料電池モジュールは、燃料電池スタックと、前記燃料電池スタックが発電した電力の電圧変換を行うコンバータと、を備えてもよい。この構成によれば、燃料電池車両において、燃料電池モジュールとのケーブル接続部分に生じる応力を抑制することができる。
(6)本発明の他の形態によれば、前記形態の電気機器ユニットを搭載する車両である。この形態の車両は、前記形態の電気機器ユニットと同様に、後方の燃料電池モジュールとのケーブル接続部分に生じる応力を抑制して、前記ケーブル接続部分の破損を防止することができる。
本発明の一実施形態としての燃料電池車両の構成を示す説明図である。 ケーブルとケーブルの周辺とを示す平面図である。 ケーブルとケーブルの周辺とを示す側面図である。 C型クランプの正面図である。 衝突後における、ケーブルとケーブルの周辺とを示す平面図である。 衝突後における、ケーブルとケーブルの周辺とを示す側面図である。
次に、本発明の実施形態を説明する。
A.全体構成:
図1は、本発明の一実施形態としての燃料電池車両の構成を示す説明図である。燃料電池車両(以下、単に「車両」と呼ぶ)VEは、四隅に車輪WLを備えた自動車であり、前後方向の中央付近の床下に燃料電池システム10を搭載し、前側にエンジンコンパートメント50を備える。図1中における「前後左右」の矢印、および他の図中における「上下」の矢印は、車両VEを基準にして定めた向きである。以下、前側、後ろ側、右側、左側、上側、下側と呼ぶときは、「前後左右上下」の矢印に示す方向を意味する。「エンジンコンパートメント」とは、従来のエンジン車において、エンジンが搭載される空間のことであり、車両VEにおいても、駆動源である駆動モータ60が搭載される空間をエンジンコンパートメントと呼ぶ。
燃料電池システム10は、燃料電池(以下、FCとも呼ぶ)スタック21を収容するスタックケース20と、図示しないFCコンバータを収容するコンバータケース30と、図示しない流体給排用ユニットを収容する補機カバー40等を備える。
一部判断して図示するように、スタックケース20の内部には、燃料電池スタック21が収容されている。燃料電池スタック21は、燃料電池のセル(発電セル)が複数、積層されたセル積層体であり、例えば固体高分子型のものである。各発電セルは、車両VEが搭載する燃料ガスタンク(図示省略)から供給される燃料ガスと、燃料電池車両の周囲から酸化剤ガスとして供給される空気とを用いて発電する。本実施形態においては、燃料ガスとして水素ガスを採用する。
コンバータケース30に収容されるFCコンバータは、燃料電池スタック21から供給された電力を昇圧する電圧変換装置(DC−DCコンバータ)である。FCコンバータによって昇圧された電力は、エンジンコンパートメント50内に送られる。燃料電池スタック21とFCコンバータとを含めた構成が、[発明の概要]の欄に記載した「燃料電池モジュール」の下位概念に相当する。
補機カバー40に収容される流体給排用ユニットは、燃料ガス用、酸化剤ガス用、冷却媒体用等の種々の配管、および、配管に流通するポンプやインジェクタ等のアクチュエータを備える。
スタックケース20は、燃料電池スタック21の複数の発電セルの積層方向が車両VEの左右方向(車幅方向)と略一致するように横置きとなっている。スタックケース20の前側にコンバータケース30が連結して配置され、スタックケース20の右側に補機カバー40が連結して配置される。スタックケース20およびコンバータケース30は、図示しない車体フレーム上に固定される。スタックケース20の固定は3つのマウント25、26、27によってなされ、コンバータケース30の固定は2つのマウント31、32によってなされる。なお、スタックケース20、コンバータケース30、および補機カバー40は、金属(例えば、アルミニウム)製の鋳造品である。
エンジンコンパートメント50内には、駆動モータ60の他に、駆動モータ60の発生したトルクを車軸72を介して車輪WLに伝えるギヤ70や、駆動モータ60に接続されるインバータ80等を備える。
インバータ80とコンバータケース30内のFCコンバータとの間は、ケーブル90によって結ばれる。ケーブル90は、複数のケーブルが束状になったものであり、ワイヤーハーネスと呼ぶこともできる。インバータ80は、FCコンバータによって昇圧された直流をケーブル90を介して受け、三相交流に変換し、駆動モータ60に供給する。駆動モータ60の回転数はインバータ80によって制御される。
B.ケーブル周辺の構成:
図2はケーブル90とケーブル90の周辺とを示す平面図であり、図3はその側面図である。ケーブル90は、一端がインバータ80(図1)に接続される第1の分割ケーブル90aと、一端がコンバータケース30内のFCコンバータに接続される第2の分割ケーブル90bとによって構成される。車両組立の都合上、ケーブル90は分断することが必要となるためであり、第1の分割ケーブル90aと第2の分割ケーブル90bとの間は、一対のコネクタ91、92によって連結されている。第2の分割ケーブル90bに接続されるコネクタ92は、きのこ型クランプ94を介してブラケット96に固定されている。ブラケット96は、コンバータケース30に固設されている。なお、きのこ型クランプ94は、他の形状のクランプに換えてもよい。
ブラケット96は、コネクタ92を所定の位置に保持するための固定具であり、断面がL字状である。ブラケット96は、亜鉛めっき鋼板を成型したものである。きのこ型クランプ94は、ポリプロピレン(PP)等の樹脂製である。本実施形態では、きのこ型クランプ94の破壊強度は、コネクタ91、92の破壊強度よりも小さくなっている。詳しくは、きのこ型クランプ94に用いられる樹脂材料が、コネクタ91、92の樹脂部分に用いられる樹脂材料よりも破壊強度が小さいものを用いるようにした。
ブラケット96に固定されたコネクタ92に対して、第1の分割ケーブル90aに接続されるコネクタ91が接続されることで、第1の分割ケーブル90aと第2の分割ケーブル90bとが連結される。第1の分割ケーブル90aの途中には、C型クランプ110が取り付けられている。すなわち、C型クランプ110は、ケーブル90において、コネクタ91、92よりもインバータ80側の位置に取り付けられている。詳しくは、第1の分割ケーブル90aは、車両VEの前後方向に対して斜行した部分を有する。本実施形態では、その斜行した部分のうちの前後方向に対して下側だけに斜行した部分に、C型クランプ110が取り付けられている。なお、下側だけに斜行した部分に換えて、他の側に斜行した部分にC型クランプ110を取り付ける構成とすることもできる。
図4は、C型クランプ110の正面図である。図示するように、C型クランプ110は、把持部112と、支柱部114と、取付部116とによって構成される。把持部112は、円筒状であってその一部を軸方向に切り欠いた開口112aを有する、断面C字形状の部材である。上記の軸方向は、第1の分割ケーブル90aに取り付けられたときにその第1の分割ケーブル90aの軸方向と一致する。開口112aの開いている向きUは、図4においては上側を向いており、開口112aを拡開して第1の分割ケーブル90aを図中の上から押し込むことで、C字状の部分で第1の分割ケーブル90aを把持することが可能となる。支柱部114は、第1の端部114aと第2の端部114bとを有する、U方向に延びる長尺状の部材である。第1の端部114aは、把持部112の開口112aとは反対側の面に連結されている。第2の端部114bは、取付部116に連結されている。取付部116は、突起状に延び、エンジンコンパートメント50近くに配設される連結部120に嵌挿される。これにより、C型クランプ110は、連結部120の取付面に対して立設される。
図3に示すように、連結部120は、略板状である基材を、第1の折れ部120aで90度だけ折り曲げ、第2の折れ部120bで90度未満の所定角度θ(例えば45度)だけ折り曲げた形状を有する。連結部120の一端120cから第1の折れ部120aまでの外側の面を第1の面121とし、第1の折れ部120aと第2の折れ部120bとの間の外側の面を第2の面122とし、第2の折れ部120bから連結部120の他端120dまでの面を第3の面123とすると、第1の面121に基台部130が固定されており、第3の面123にC型クランプ110が立設されている。エンジンコンパートメント50内の駆動モータ60やインバータ80等の搭載物は、図示しないマウント部によって、車体フレームに固定される。同様に、基台部130もマウント部によって、車体フレームに固定される。これにより、C型クランプ110は、車体に対して固定されることになる。
基台部130の車体に対する取り付け方向は、連結部120の第2の面122が後ろ側に向く方向である。本実施形態では、第2の面122が、車両の左右方向と上下方向とを含む平面と平行、かつ、後ろ側に向くように、基台部130は車体に対して固定される。この結果、連結部120の第3の面123に立設されるC型クランプ110は、車両VEの前側から後ろ側に(厳密には、かつ上側)に向いて配置される。しかも、C型クランプ110は、開口112aの開いている向き(矢印Uに示す方向)を、後ろ側、かつ上側に向けるように、配設されることになる。本実施形態では、「後ろ側、かつ上側」とは、前後上下を含む側面視において、後ろ側方向に対して上側方向に向けて45度だけ傾けた方向をいう。なお、前後左右を含む平面視においては、図2に示すように、開口112aの開いている向きUは、後ろ向きであり、左右方向への傾きはない。
C型クランプ110のケーブル90を保持する部分は、前述したように、第1の分割ケーブル90aにおける、車両VEの前後方向に対して下側に斜行した部分であり、C型クランプ110の開口112aの向きは、後ろ側、かつ上側であることから、C型クランプ110を、第1の分割ケーブル90aにおける上記の斜行した部分に容易に接続することができる。
C型クランプ110は、[発明の概要]の欄に記載した「第1のクランプ」の下位概念に相当する。きのこ型クランプ94は、[発明の概要]の欄に記載した「第2のクランプ」の下位概念に相当する。なお、前述のインバータ80と、燃料電池スタック21と、コンバータケース30内のFCコンバータと、「B.ケーブル周辺の構成」の欄に記載した各部とを含む構成が、本発明の一形態の電気機器ユニットの下位概念に相当する。
C.衝突について:
以上のように構成された車両VEが前方から衝突した場合について、次に説明する。車両VEが前方から衝突した場合、エンジンコンパートメント50内の駆動モータ60やインバータ80等は、衝突によって前方から荷重を受けて後方かつ下方に移動する。これに伴って、これらの駆動モータ60やインバータ80等を取り付けたマウント部(図示せず)も後方かつ下方に移動し、図2の平面図、図3の側面図において、基台部130も、矢印Vに示す方向、すなわち、後方かつ下方に移動する。また、インバータ80等が後方かつ下方に移動することに伴い、前方から第1の分割ケーブル90aに向けて荷重が加わる。これにより、第1の分割ケーブル90aは、図中の2点鎖線に示すように変形して、後ろ側に移動する。第1の分割ケーブル90aは、当初、C型クランプ110と一体的に移動し、その後、C型クランプ110の把持部112を地滑り的に移動することになり、把持部112の開口112aから第1の分割ケーブル90aは外側に飛び出てしまう。この結果、第1の分割ケーブル90aは、C型クランプ110から外れる。
C型クランプ110から外れた後、第1の分割ケーブル90aは、さらに荷重を受けると、第1の分割ケーブル90aを後方かつ下方に押して、一対のコネクタ91、92をブラケット96から取り外す方向に力が働く。すなわち、図3の側面図に示すように、きのこ型クランプ94によって固定されたコネクタ92に対して、左右方向を回転軸として前側を下方向に首振るように回転させる力Fが働く。なお、この際には、図2の平面図に示すように、左右方向には、大きな首振りはない。
図5は衝突後における、ケーブル90とケーブル90の周辺とを示す平面図であり、図6はその側面図である。車両VEが前方衝突した後には、第1の分割ケーブル90aは、上述した力Fによって、一対のコネクタ91、92はブラケット96から外れている。きのこ型クランプ94が破壊されることで、一対のコネクタ91、92はブラケット96から外れることになるが、先に説明したように、きのこ型クランプ94の強度は、コネクタ91、92の強度よりも小さくなっていることから、先にきのこ型クランプ94が破壊され、コネクタ91、92が破損されることはない。ケーブル90にさらに荷重が加わると、ケーブル90は、一対のコネクタ91、92をさらに押し下げる。この結果、一対のコネクタ91、92は、図3の状態から後方かつ下方に大きく移動し、図6の位置に収まる。この位置は、衝突後に残る空間(いわゆる「生存可能空間)であり、一対のコネクタ91、92は破損されることはない。
以上説明したように、第1の実施例の車両VEでは、車両VEが前方から衝突した際に、インバータ80とコンバータケース30内のFCコンバータとを結ぶケーブル90に設けられたコネクタ91、92が破損することを防止することができる。また、ケーブル90のFCコンバータとの接続部分についての破損も防止することができる。さらに、コネクタ91、92が破損することがないことから、衝突の際に、コンバータからの高電圧が漏電することを防止することができる。なお、車両VEが後方から衝突した際にも、同様に、ケーブル90はC型クランプ110から外れることになり、前方からの衝突と同様な作用効果を奏する。
D.変形例:
・変形例1:
前記実施形態では、きのこ型クランプ94の破壊強度が、コネクタ91、92の破壊強度よりも小さくなるように構成したが、これに換えて、きのこ型クランプ94の破壊強度をコネクタ91、92の破壊強度と同等としてもよい。また、ケーブルは、複数に分断されていない構成、すなわち、コネクタを不要とした構成としてもよい。
・変形例2:
前記実施形態では、C型クランプ110における開口112aの開いている向きUを、前後上下を含む側面視において、後ろ側方向に対して上側方向に向けて45度だけ傾き、かつ、前後左右を含む平面視において、左右方向への傾きはない、後ろ向きとなるように構成した。これに換えて、C型クランプにおける開口の開いている向きを、次の(1)〜(3)に示す構成としてもよい。
(1)前後上下を含む側面視において、後ろ側方向に対して上側方向に向けて45度を除く0度超過、90度未満の角度だけ傾き、前後左右を含む平面視においては前記実施形態と同一の構成。
(2)前後上下を含む側面視においては前記実施形態と同一の構成であり、前後左右を含む平面視において、左右方向のいずれかに0度超過、90度未満の角度だけ傾いた構成。
(3)前後上下を含む側面視において、後ろ側方向に対して上側方向に向けて45度を除く0度超過、90度未満の角度だけ傾き、前後左右を含む平面視において、左右方向のいずれかに0度超過、90度未満の角度だけ傾いた構成。
前記実施形態および(1)〜(3)に示す構成では、開口の開いている向きは、上下左右を含む平面より後ろ側、かつ、前後左右を含む平面よりも上側の向きとなる。前方衝突の際には、基台部130は、後方かつ下方に移動し易いことから、開口の開いている向きを上側とすることで、ケーブルをC型クランプの開口からより外しやすい。このために、コネクタの破損をより容易に防止することができる。なお、前記実施形態および(1)〜(3)に示す構成に換えて、開口の開いている向きを、上下左右を含む平面より後ろ側、かつ、前後左右を含む平面よりも下側の向きとすることもできる。
・変形例3:
前記実施形態および各変形例では、燃料電池に固体高分子型燃料電池を用いたが、リン酸型燃料電池、溶融炭酸塩型燃料電池、固体酸化物形燃料電池等、種々の燃料電池に本発明を適用してもよい。
・変形例4:
前記実施形態および各変形例では、第1の電気機器よりも後方側に配置される第2の電気機器としてFCコンバータを用いたが、FCコンバータに換えて燃料電池スタックを用いる構成としてもよい。また、第2の電気機器として、FCコンバータ、燃料電池システム以外の高圧電気機器を用いる構成としてもよい。さらに、第2の電気機器として、高圧電気機器に換えて電気機器とすることもできる。また、第1の電気機器として、インバータに以外の高圧電気機器を用いる構成としてもよいし、電気機器を用いる構成としてもよい。
・変形例5:
前記実施形態および各変形例では、燃料電池を搭載する燃料電池車両に本発明を適用していたが、これに換えて、電気自動車等の他の電動車両に本発明を適用してもよい。
本発明は、上述の実施形態や変形例に限られるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の構成で実現することができる。例えば、発明の概要の欄に記載した各形態中の技術的特徴に対応する実施形態、変形例中の技術的特徴は、上述の課題の一部又は全部を解決するために、あるいは、上述の効果の一部又は全部を達成するために、適宜、差し替えや、組み合わせを行うことが可能である。また、前述した実施形態および各変形例における構成要素の中の、独立請求項で記載された要素以外の要素は、付加的な要素であり、適宜省略可能である。
10…燃料電池システム
20…スタックケース
21…燃料電池スタック
25〜27…マウント
30…コンバータケース
31、32…マウント
40…補機カバー
50…エンジンコンパートメント
60…駆動モータ
70…ギヤ
72…車軸
80…インバータ
90…ケーブル
90a…第1の分割ケーブル
90b…第2の分割ケーブル
91…コネクタ
92…コネクタ
94…きのこ型クランプ
96…ブラケット
110…C型クランプ
112…把持部
112a…開口
114…支柱部
114a…第1の端部
114b…第2の端部
116…取付部
120…連結部
120a…第1の折れ部
120b…第2の折れ部
121…第1の面
122…第2の面
123…第3の面
130…基台部
VE…車両
WL…車輪

Claims (6)

  1. 車両に搭載される電気機器ユニットであって、
    前記車両の駆動モータに電力を供給するインバータと、
    前記インバータよりも、前記車両の後方側に配置される燃料電池モジュールと、
    前記インバータと前記燃料電池モジュールとの間をつなぐケーブルと、
    前記ケーブルを所定の位置に保持し、前記車両の車体に取り付けられた第1のクランプと、
    を備え、
    前記第1のクランプは、
    第1の端部と第2の端部とを有する長尺状の支柱部と、
    前記第1の端部に連結され、前記ケーブルの一部を囲んで把持する把持部と、
    前記把持部の一部において、前記ケーブルの軸方向に沿って切り欠かれた開口部と、
    を有し、
    前記第1のクランプは、前記支柱部の前記第2の端部から前記第1の端部に向かう向きが前記車両の後ろ側かつ上下のうちの一方の側と一致するように取り付けられ、
    前記第1の端部に対する前記開口部の向きが、前記第2の端部に対する前記第1の端部の向きと一致している、電気機器ユニット。
  2. 請求項1に記載の電気機器ユニットであって、
    前記ケーブルは、前記インバータから前記燃料電池モジュールまでの間に、前記車両の前後方向に対して斜行した部分を有し、
    前記第1のクランプは、前記斜行した部分で前記ケーブルを保持する、電気機器ユニット。
  3. 請求項1または請求項2に記載の電気機器ユニットであって、
    前記ケーブルは、前記インバータに接続される第1の分割ケーブルと、前記燃料電池モジュールに接続される第2の分割ケーブルとをコネクタによって連結した構成であり、
    前記第1のクランプは、前記第1の分割ケーブルに取り付けられた、電気機器ユニット。
  4. 請求項3に記載の電気機器ユニットであって、
    前記コネクタは、第2のクランプによって所定の位置に保持され、
    前記第2のクランプは、前記コネクタよりも破壊強度が低い、電気機器ユニット。
  5. 請求項1から請求項4までのいずれか一項に記載の電気機器ユニットであって、
    前記燃料電池モジュールは、燃料電池スタックと、前記燃料電池スタックが発電した電力の電圧変換を行うコンバータと、を備える、電気機器ユニット。
  6. 請求項1から請求項5までのいずれか一項に記載の電気機器ユニットを搭載する車両。
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