JP6885307B2 - 電力変換装置の車載構造 - Google Patents

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Description

本明細書が開示する技術は、電力変換装置の車載構造に関する。
所定の閾値電圧（例えば１００ボルト）を超える高電圧を扱う車載の電力変換装置は、高電圧が通電されるコネクタにインターロック機構を備えることが多い。典型的な電力変換装置は、電気自動車や燃料電池車において、電源の電力を走行用のモータの駆動電力に変換するデバイスである。走行用のモータのための電源の出力電圧は、１００ボルトを超えることが多い。特許文献１、２に、車載の電力変換装置におけるインターロック機構の例が開示されている。特許文献１には、コネクタ端子を覆う保護カバーの着脱に応じてコネクタ端子への電流の流れを許容／禁止するインターロックコネクタが開示されている。特許文献２には、低電圧コネクタの一部が高電圧コネクタの固定ボルトを覆っているというインターロック機構が開示されている。特許文献２の技術では、低電圧コネクタを外さないと高電圧コネクタが外れないようになっている。低電圧コネクタと高電圧コネクタの関係がインターロック機構を実現している。
特開２０１４−１７９２３２号公報 特開２０１７−０３４９１０号公報
インターロック機構のための部品を備えるとその分のコストが嵩む。特許文献２の技術は、低コストで実現可能であるが、２個のコネクタ（低電圧コネクタと高電圧コネクタ）の配置に制約が課せられる。より低コストで電力変換装置の中の制約の少ないインターロック機構が求められている。
本明細書は、電力変換装置の車載構造を工夫することによって、インターロック機構と同等の機能を実現する技術を開示する。その車載構造は、電力変換装置の筐体に取り付けられており、所定の閾値電圧を超える電圧が印加される高電圧コネクタと、高電圧コネクタの抜去方向で高電圧コネクタに対向するように配置されている構造物とを活用する。高電圧コネクタが電力変換装置の筐体に取り付けられた状態で、高電圧コネクタの筐体に埋没している部分の長さが、高電圧コネクタと上記構造物との間の距離よりも長くなるように定められている。この車載構造では、電力変換装置自体（あるいは上記構造物）を車両から外さないと、高電圧コネクタを外すことができないようになっている。この車載構造では、高電圧コネクタを外すためには、電力変換装置（あるいは上記構造物）を外すという大がかりな作業が要求される。それゆえ、高電圧コネクタをうっかり外してしまうというミスが起こり難くなり、インターロック機構と同等の機能を実現することができる。
一般に、電力変換装置には、所定の閾値電圧を超える電圧が印加される高電圧コネクタの他に、閾値電圧を下回る電圧が印加される低電圧コネクタが接続される。一方、電力変換装置は、高電圧コネクタを流れる電流を平滑化するためのコンデンサを備えている場合があり、その場合、電力変換装置が電源から切り離されてもコンデンサに高電圧の電力が残されている場合がある。そこで、電力変換装置は、低電圧コネクタを筐体から外したときにコンデンサの両端を短絡する放電回路を備えている。放電回路の一具体例は、コンデンサの夫々の電極と導通しており、互いに近づく方向に付勢されている２個の端子と、低電圧コネクタから延びており、２個の端子の間に挟まれる絶縁性のインターロックピンで構成される。低電圧コネクタを外すとインターロックピンが抜けて２個の端子が弾性力により接触し、コンデンサが放電される。電力変換装置を車両から外すには、高電圧コネクタは構造物に阻害されて外せないが、低電圧コネクタは外せる。電力変換装置を車両から外すのに先立って低電圧コネクタを外すとコンデンサが放電され、高電圧コネクタに高電圧が印加されている状態が解消される。
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。
実施例の車載構造が適用されているハイブリッド車の電力系のブロック図である。 フロントコンパートメントにおける電力変換装置のレイアウトを示す斜視図である。 電力変換装置とエンジンの並び方を示す平面図である。
図面を参照して実施例の車載構造２を説明する。実施例の車載構造２は、ハイブリッド車１００の電力変換装置１０に適用されている。まず、電力変換装置１０を含むハイブリッド車１００の電力系について説明する。図１に、ハイブリッド車１００の電力系のブロック図を示す。ハイブリッド車１００は、走行用にモータ５とエンジン７を備えている。モータ５の出力トルクとエンジン７の出力トルクはギアセット６で合成されて車軸８へ伝達される。
ハイブリッド車１００は、高電圧バッテリ３と低電圧バッテリ４１と電力変換装置１０を備えている。高電圧バッテリ３は、例えばリチウムイオン電池であり、その出力電圧は閾値電圧を超える。閾値電圧は、例えば１００ボルトである。高電圧バッテリ３は、システムメインリレ−４を介して電力変換装置１０に接続されている。システムメインリレ−４は、不図示のＨＶコントローラによって制御される。ＨＶコントローラは、ハイブリッド車１００のシステム全体を統括制御するデバイスであり、車両のメインスイッチ（イグニッションスイッチ）が入れられると、システムメインリレ−４を導通させる。
高電圧バッテリ３の電力は、パワーケーブルと第１高電圧コネクタ２２を介して電力変換装置１０に入力される。第１高電圧コネクタ２２は、パワーケーブルの一端に備えられており、パワーケーブルを電力変換装置１０に接続する。
電力変換装置１０は、高電圧バッテリ３の直流電力をモータ５の駆動に適した交流電力に変換するデバイスである。電力変換装置１０は、高電圧バッテリ３の出力電圧を昇圧する電圧コンバータ１１と、昇圧された直流電力を交流電力に変換するインバータ１２を備えている。電圧コンバータ１１とインバータ１２の間には、平滑コンデンサ１３が並列に接続されている。平滑コンデンサ１３は、電圧コンバータ１１とインバータ１２の間に流れる電流を平滑化するために備えられている。電圧コンバータ１１とインバータ１２の間には、走行用のモータ５を駆動する電力が流れ、その電力は、１００ボルト、５０アンペアを超える場合がある。そのような大電力に対応するため、平滑コンデンサ１３は大容量である。なお、モータ５は、車両の運動エネルギを活用して発電する場合がある。モータ５が発電した電力（回生電力）は、インバータ１２によって直流電力に変換され、さらに電圧コンバータ１１によって降圧される。降圧された回生電力は高電圧バッテリ３に充電される。電圧コンバータ１１は、双方向ＤＣ−ＤＣコンバータである。
システムメインリレ−４を介して高電圧バッテリ３が電力変換装置１０と接続されているとき、平滑コンデンサ１３には、最低でも高電圧バッテリ３の電圧が印加される。先に述べたように、平滑コンデンサ１３は大容量であり、システムメインリレ−４が遮断された後も、大きな電力を蓄え続ける。
電圧コンバータ１１とインバータ１２は、電力変換装置１０に内蔵されているモータコントローラ１４によって制御される。図１における点線は信号線を示している。モータコントローラ１４は、低電圧バッテリ４１から電力供給を受けて動作する。低電圧バッテリ４１は、車内の補機に電力を供給するバッテリであり、その出力電圧は、先に述べた閾値電圧を下回る。低電圧バッテリ４１の出力電圧は、例えば１２ボルトである。補機とは、低電圧バッテリ４１の電圧で駆動するデバイスの総称であり、電力変換装置１０のモータコントローラ１４のほか、例えばカーナビゲーション装置４２なども補機の一種である。
低電圧バッテリ４１の電力は、低電圧コネクタ２１を介して電力変換装置１０に入力される。なお、低電圧バッテリ４１の負極、及び、補機（モータコントローラ１４を含む）の負極はグランドを介して接続されている。ハイブリッド車１００では、車両の導電性のボディがグランドに相当する。
先に述べたように、平滑コンデンサ１３は、システムメインリレ−４が遮断された後も大電力を保持可能であり、電力変換装置１０は、低電圧コネクタ２１が外されると平滑コンデンサ１３を短絡して放電する放電回路３０を備えている。放電回路３０は、平滑コンデンサ１３の一方の電極に接続されている第１端子３１ａと、他方の電極に接続されている第２端子３１ｂと、低電圧コネクタ２１に設けられているインタ−ロックピン３２で構成される。インタ−ロックピン３２は絶縁性の樹脂で作られている。図１に示すように、低電圧コネクタ２１が電力変換装置１０に取り付けられている状態では、インタ−ロックピン３２は、第１端子３１ａと第２端子３１ｂとの間に挿入され、両端子を離間させる。なお、第１端子３１ａと第２端子３１ｂは銅板で作られており、弾性を有しており、互いに近づく方向に付勢されている。図１の右下に、低電圧コネクタ２１が電力変換装置１０から外れた状態を示す。低電圧コネクタ２１が電力変換装置１０の筐体１９から外れると、インタ−ロックピン３２が第１端子３１ａと第２端子３１ｂの間から抜け、第１端子３１ａと第２端子３１ｂが弾性力により互いに近づき合って接触する。第１端子３１ａと第２端子３１ｂが接触すると、平滑コンデンサ１３の両電極が短絡し、平滑コンデンサ１３が放電される。
電力変換装置１０の筐体１９は、高電圧バッテリ３の電力をエアコン４３へ伝送するときの電力中継器の役割を兼ねている。電力変換装置１０の筐体１９には、エアコン４３につながっているケーブルのコネクタ（第２高電圧コネクタ２３）が接続されている。エアコン４３と電気的に接続されている第２高電圧コネクタ２３と、システムメインリレ−４を介して高電圧バッテリ３と電気的に接続されている第１高電圧コネクタ２２は、筐体１９の内部で直結されている。第１高電圧コネクタ２２と第２高電圧コネクタ２３を介して、高電圧バッテリ３の電力はエアコン４３へ伝送される。
電力変換装置１０の車載構造２について説明する。電力変換装置１０は、フロントコンパートメント９０に搭載されている。図２に、フロントコンパートメント９０における電力変換装置１０のレイアウトを示す。図中の座標系のＦ軸正方向は車両前方を指しており、Ｖ軸正方向は車両上方を指している。Ｈ軸の正方向は車両の左側方を指している。座標系の各軸の意味は、次の図３でも同じである。
電力変換装置１０は、モータ５とギアセット６を収容するトランスアクスル５０の上に支持されている。トランスアクスル５０の右側部にエンジン７が連結されている。トランスアクスル５０とエンジン７は、不図示の一対のサイドメンバに懸架されている。
電力変換装置１０は、フロントブラケット５１とリアブラケット５２により、トランスアクスル５０の上面との間に隙間を有して支持されている。フロントブラケット５１と電力変換装置１０の筐体１９の間、及び、リアブラケット５２と筐体１９の間には、不図示の防振ブッシュが挟まれている。フロント（リア）ブラケット５１（５２）と防振ブラケットは、トランスアクスル５０から電力変換装置１０へ伝達される振動を抑制する。
筐体１９の上面に低電圧コネクタ２１が取り付けられている。筐体１９の後面に第１高電圧コネクタ２２が取り付けられている。筐体１９の右側面に第２高電圧コネクタ２３が取り付けられている。筐体１９の右方向には、エンジン７が配置されている。第２高電圧コネクタ２３は、車載された電力変換装置１０の右側面に取り付けられており、右側へ移動させることで筐体１９から外れる。ただし、第２高電圧コネクタ２３の右側には、エンジン７が配置されている。別言すると、エンジン７は、第２高電圧コネクタ２３の抜去方向で第２高電圧コネクタ２３と対向するように配置されている。
図３に、トランスアクスル５０の上部に固定された電力変換装置１０の平面図を示す。なお、図中の座標系のＨ軸負方向（即ち、図の左側）が、車両右側方に相当する。エンジン７は、第２高電圧コネクタ２３の抜去方向で第２高電圧コネクタ２３に対向している。図３は平面図であるが、正面から見ても、エンジン７は第２高電圧コネクタ２３と対向している。第２高電圧コネクタ２３は、コネクタ挿抜方向において長さＬ２だけ筐体１９に差し込まれるプラグ２３１（コネクタフ−ド）を有している。コネクタ挿抜方向は、図中の座標系のＨ軸方向である。なお、図３では、プラグ２３１の内部に配置されているコンタクタ（電気端子）と、プラグ２３１に嵌合する筐体側のソケットは図示を省略している。
第２高電圧コネクタ２３は、筐体１９に長さＬ２だけ埋設されるプラグ２３１備えている。一方、第２高電圧コネクタ２３の背面とエンジン７との間の長さＬ１は、長さＬ２よりも短い。別言すれば、第２高電圧コネクタ２３が筐体１９に取り付けられているときに第２高電圧コネクタ２３の筐体１９に埋没している部分（プラグ２３１）の長さＬ２が、コネクタ挿抜方向における第２高電圧コネクタ２３とエンジン７との間の距離（長さＬ１）よりも長い。従って、電力変換装置１０を車載したままでは、第２高電圧コネクタ２３を筐体１９から外すことができない。第２高電圧コネクタ２３を外すには、電力変換装置１０を車体から外さなければならない（あるいはエンジン７を車体から外さなければならない）。第２高電圧コネクタ２３を外すには、電力変換装置１０あるいはエンジン７を車体から外すという大掛かりな作業が必要とされる。それゆえ、エアコン４３の修理のときなど、高電圧が印加された状態の第２高電圧コネクタ２３をうっかり外してしまうミスが生じ難い。実施例のレイアウト（車載構造２）は、高電圧が印加されている第２高電圧コネクタ２３を誤って抜いてしまうミスを防止するのに貢献する。即ち、実施例の車載構造２は、高電圧が印加されている第２高電圧コネクタ２３を誤って外してしまうことを防止するインターロックとしての機能を有している。電力変換装置１０を車体から外すのは、比較的に大がかりな作業であるため、作業者は、必ず、電源が遮断されていることを確かめる。従って、大電圧が印加された状態で第２高電圧コネクタ２３を外してしまうミスはほとんど起こり得ない。
なお、電力変換装置１０は、高電圧バッテリ３の電圧が印加される平滑コンデンサ１３を備えており、平滑コンデンサ１３は、高電圧バッテリ３が電力変換装置１０から遮断された後も大電力を保持し得る。しかしながら、電力変換装置１０は、低電圧コネクタ２１を外すと平滑コンデンサ１３を放電する放電回路３０を備えている。電力変換装置１０を車体から外す場合、まず、低電圧コネクタ２１を筐体１９から外す。低電圧コネクタ２１を外すと平滑コンデンサ１３が放電されるので、平滑コンデンサ１３の電力が第２高電圧コネクタ２３に印加されている状態で誤って第２高電圧コネクタ２３を外してしまうミスもほとんど生じえない。
実施例に関する留意点を述べる。第２高電圧コネクタの抜去を阻害する構造物は、エンジン７に限られない。第２高電圧コネクタの抜去を阻害する構造物は、車両のボディの一部でもよいし、車載の他のデバイスでもよい。車両上のあらゆる構造物であってよい。
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：車載構造
３：高電圧バッテリ
５：モータ
７：エンジン
１０：電力変換装置
１１：電圧コンバータ
１２：インバータ
１３：平滑コンデンサ
１４：モータコントローラ
１９：筐体
２１：低電圧コネクタ
２２：第１高電圧コネクタ
２３：第２高電圧コネクタ
３０：放電回路
３１ａ：第１端子
３１ｂ：第２端子
３２：ロックピン
４１：低電圧バッテリ
４３：エアコン
５０：トランスアクスル
９０：フロントコンパートメント
１００：ハイブリッド車
２３１：プラグ

Claims (1)

  1. 電力変換装置の車載構造であって、
    前記電力変換装置の筐体に取り付けられており、所定の閾値電圧を超える電圧が印加される高電圧コネクタと、
    前記筐体に取り付けられており、前記閾値電圧を下回る電圧が印加される低電圧コネクタと、前記筐体内部で前記高電圧コネクタに電気的に接続されているコンデンサと、
    前記低電圧コネクタが前記筐体から外れたときに前記コンデンサの両端を短絡する放電回路と、
    前記高電圧コネクタの抜去方向で前記高電圧コネクタに対向するように配置されている構造物と、
    を備えており、
    前記高電圧コネクタが前記電力変換装置の前記筐体に取り付けられた状態で、前記高電圧コネクタの前記筐体に埋没している部分の長さが、前記高電圧コネクタと前記構造物との間の距離よりも長い、電力変換装置の車載構造。
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