JP7001046B2 - 電力変換器の搭載構造 - Google Patents

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Description

本明細書が開示する技術は、電源の電力を走行用のモータの駆動電力に変換する電力変換器のフロントコンパートメントへの搭載構造に関する。
特許文献1に、フロントコンパートメントに搭載された電力変換器が開示されている。電力変換器は、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。電力変換器は、モータを収容するハウジングの上に、フロントブラケットとリアブラケットで支持されている。電力変換器とハウジングの間には隙間が確保されている。車両が障害物に衝突すると、障害物が前方から電力変換器に衝突し、ブラケットが変形あるいは破断し、電力変換器が後退する。電力変換器の後方には別のデバイスが配置されており、後退した電力変換器と干渉する。電力変換器の車両後方を向く後面には、電力を電力変換器に伝達するパワーケーブルのコネクタが接続されている。特許文献1に開示された技術では、衝突時にコネクタを保護する一対のプロテクタが電力変換器の後部に取り付けられている。一対のプロテクタは、コネクタの車幅方向の両側に位置している。
特開2018-122825号公報
本明細書が開示する技術は、コネクタを保護するプロテクタを備えた搭載構造の改良に関し、より良くコネクタを保護する技術を提供する。
本明細書は、電源の電力を走行用のモータの駆動電力に変換する電力変換器のフロントコンパートメントへの搭載構造を開示する。電力変換器は、フロントコンパートメント内の構造物の上にフロントブラケットとリアブラケットを介して固定されている。フロントブラケットとリアブラケットを取り付ける構造物の例は、モータを収容しているモータハウジング、あるいは、サイドメンバやクロスメンバなど、車体の強度を保持するための部材であってよい。電源の電力を電力変換器へ伝達するパワーケーブルのコネクタが電力変換器の車両後方を向く面(後面)に取り付けられている。コネクタを覆うように、電力変換器の後部にプロテクタが取り付けられている。プロテクタは、第1部品と第2部品と第3部品を備えている。第1部品は、コネクタの上面を覆うように電力変換器に固定されている。第2部品は、コネクタの後面を覆うように電力変換器に固定されている。第2部品は、車幅方向の両端が電力変換器の側面に向けて湾曲している。第3部品は、第2部品の一方の湾曲している部位の内側に配置されている。第1部品と第2部品と第3部品は相互に接合されている。第3部品の板厚は、第1部品の板厚と第2部品の板厚よりも大きい。
プロテクタを3個に分割することにより、部位に応じて最適な剛性を容易に実現することができるようになる。特に、コネクタの後面を覆う第2部品の湾曲部(第2部品の車幅方向の両端部分)には、高い剛性が要求される。そこで、本明細書が開示する搭載構造では、第2部品の湾曲部にはその内側に厚みの大きい第3部品を補って高い剛性を実現する。本明細書が開示する搭載構造は従来よりもよりよくコネクタを保護することができる。
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。
ハイブリッド車のフロントコンパートメント内のデバイスレイアウトを示す斜視図である。 電力変換器とその周辺機器のブロック図である。 モータハウジングの上に固定された電力変換器の側面図である。 電力変換器を斜め後方から見た図である(プロテクタ分解)。 電力変換器を斜め後方から見た図である(プロテクタ組付)。 図5のVI-VI線でカットした断面図である。 プロテクタが取り付けられた筐体後部の平面図である。 電気自動車の電力変換器とその周辺機器のブロック図である。 電気自動車のフロントコンパートメント内のデバイスレイアウトを示す正面図である。 電気自動車のフロントコンパートメント内のデバイスレイアウトを示す側面図である。
(第1実施例)図面を参照して第1実施例の搭載構造を説明する。第1実施例の搭載構造は、走行用にエンジンとモータを備えているハイブリッド車に適用されている。図1は、ハイブリッド車100のフロントコンパートメント50の中のデバイスレイアウトを示す斜視図である。なお、図中の座標系は、F軸の正方向が車両前方を示しており、V軸の正方向が車両上方を示している。H軸の正方向は車両の左側方を示している。図1では、フロントコンパートメント50に搭載されているデバイスを模式化して描いてある。
フロントコンパートメント50には、エンジン55、トランスアクスル30、電力変換器10、補機バッテリ5、ブレーキアクチュエータ51が収容されている。フロントコンパートメント50には他にも様々なデバイスが収容されているが、それらの図示と説明は省略する。
ハイブリッド車100は、走行用に、2個のモータ7a、7bとエンジン55を備えている。2個のモータ7a、7bは、トランスアクスル30のハウジング(モータハウジング)に収容されている。トランスアクスル30には、走行用の2個のモータ7a、7bのほか、動力分配機構とデファレンシャルギアが含まれている。動力分配機構は、エンジン55の出力トルクとモータ7a、7bの出力トルクを合成/分配するギアセットである。動力分配機構は、状況に応じて、エンジン55の出力トルクを分割してデファレンシャルギアと一方のモータ7aへ伝達する。その場合、ハイブリッド車100は、エンジントルクで走行しながらモータ7aで発電する。
エンジン55とトランスアクスル30は、車幅方向で隣り合うように連結されている。エンジン55とトランスアクスル30は、車両の構造強度を担保する2本のサイドメンバ52に懸架されている。なお、図1では、一方のサイドメンバは見えていない。
トランスアクスル30の上面に、電力変換器10が固定されている。電力変換器10は、不図示のメインバッテリの直流電力を昇圧し、昇圧した直流電力をモータ駆動に適した交流電力に変換するデバイスである。符号11は、電力変換器10の筐体を指す。
図2に、電力変換器10の内部とその周辺の機器のブロック図を示す。電力変換器10は、その内部に、コンバータ回路12、2個のインバータ回路13a、13b、及び、コンバータ回路12とインバータ回路13a、13bを制御する制御基板14を備えている。
電力変換器10は、DCパワーケーブル25を介してメインバッテリ3と接続されている。符号15は、DCパワーケーブル25の先端に取り付けられているコネクタ(DCパワーコネクタ15)を示している。メインバッテリ3の出力は100ボルト以上であり、メインバッテリ3の電力でモータ7a、7bが駆動される。メインバッテリ3の出力電力は、コンバータ回路12に入力される。コンバータ回路12は、メインバッテリ3の出力電圧を昇圧してインバータ回路13a、13bに供給する。インバータ回路13a、13bは、昇圧された直流電力を、モータ駆動に適した交流電力に変換する。インバータ回路13a、13bの出力は、それぞれ、モータコネクタ17とモータパワーケーブル27を介してモータ7a、7bに供給される。
コンバータ回路12とインバータ回路13a、13bは、制御基板14に実装された制御回路によって制御される。制御基板14の制御回路は、補機バッテリ5から電力供給を受けて動作する。制御基板14の制御回路は、外部の上位制御器6からの指令を受けて動作する。補機バッテリ5と上位制御器6は、通信ケーブルと通信コネクタ18を介して電力変換器10の制御基板14と接続されている。
なお、補機バッテリ5は、電力変換器10の中の制御基板14のほか、12ボルトで動作する他の機器にも電力を供給する。ハイブリッド車100に搭載されている機器の中で、12ボルトで動作する機器は、補機と総称される。補機バッテリ5は、フロントコンパートメント50に搭載されている(図1参照)。
電力変換器10の筐体11は、メインバッテリ3とエアコンコンプレッサ4の間の電力中継器を兼ねている。エアコンケーブル26とエアコンコネクタ16を介して、筐体11からエアコンコンプレッサ4へ、メインバッテリ3の電力が供給される。
図1に戻ってフロントコンパートメント50におけるデバイスレイアウトの説明を続ける。電力変換器10は、トランスアクスル30の上方に、フロントブラケット53とリアブラケット54を介して支持されている。電力変換器10の筐体11の車両後方を向く面(後面)には、プロテクタ40が取り付けられている。筐体11の後面には、2個のコネクタ(DCパワーコネクタ15とエアコンコネクタ16)が接続されており、プロテクタ40は、それらのコネクタを覆っている。プロテクタ40(DCパワーコネクタとエアコンコネクタ)の後方には、ブレーキアクチュエータ51が配置されている。
図3は、電力変換器10とブレーキアクチュエータ51の位置関係を示す側面図である。図3でも、座標系のF軸正方向は車両前方を表し、V軸正方向は上方を表す。H軸の正方向は車両の左側方を指している。
先に述べたように、電力変換器10は、トランスアクスル30の上面30aに、フロントブラケット53とリアブラケット54を介して支持されている。上面30aは前下がりに傾斜している。それゆえ、上面30aに固定される電力変換器10も、前下がりの姿勢で固定されている。
電力変換器10とトランスアクスル30の間には、隙間SPが確保されている。電力変換器10が直接にトランスアクスル30の上面30aに固定されていないのは、トランスアクスル30からの振動を遮断するためである。なお、フロントブラケット53と電力変換器10の筐体11の間には防振ブッシュ63が挟まれている。リアブラケット54と筐体11の間にも防振ブッシュ64が挟まれている。
筐体11の左側面にモータコネクタ17が接続されており、筐体11の後面11bにDCパワーコネクタ15とエアコンコネクタ16が接続されている。図3では、エアコンコネクタ16はDCパワーコネクタ15の後ろ側に位置しており、見えない。筐体11の後部にはプロテクタ40が取り付けられており、プロテクタ40がDCパワーコネクタ15とエアコンコネクタ16を覆っている。
筐体11の上面には通信コネクタ18が接続されている。図3では通信コネクタ18から延びている通信ケーブルの図示は省略している。
電力変換器10は2個のブラケット53、54でトランスアクスル30の上方に支持されている。ハイブリッド車100が前方衝突すると、ブラケット53、54が変形し、あるいは、破断し、電力変換器10が後退する場合がある。電力変換器10の筐体11の後面11bには2個のコネクタ(DCパワーコネクタ15とエアコンコネクタ16)が接続されており、その後方にはブレーキアクチュエータ51が配置されている。ブレーキアクチュエータ51は、車体102に固定されている。
筐体11が後退すると、後面11bに取り付けられているDCパワーコネクタ15とエアコンコネクタ16がブレーキアクチュエータ51などの周辺部品と接触してダメージを受けるおそれがある。あるいは、筐体11が後退すると、DCパワーコネクタ15とエアコンコネクタ16がフロントコンパートメント内の別の構造物とリアブラケット54に挟まれ、ダメージを受けるおそれがある。それゆえ、第1実施例の搭載構造では、DCパワーコネクタ15とエアコンコネクタ16を保護するプロテクタ40が筐体11の後部に取り付けられている。
図4、図5に電力変換器10を斜め後方から見た図を示す。図4は、プロテクタ40を分解した図であり、図5は、プロテクタを取り付けた図である。図4と図5を比較すると理解できるように、DCパワーコネクタ15とエアコンコネクタ16は、完全にプロテクタ40で覆われている。
プロテクタ40は、3個の部品で作られている。プロテクタ40は、第1部品41、第2部品42、第3部品43で構成されている。3個の部品41-43は、溶接で相互に接合される。
第1部品41は、DCパワーコネクタ15とエアコンコネクタ16の上面を覆うように、電力変換器10の筐体11の後部に取り付けられる。第2部品42は、DCパワーコネクタ15とエアコンコネクタ16の後面を覆うように筐体11の後部に取り付けられる。第2部品42は、車幅方向(図中のH方向)の両端が電力変換器10の筐体11の側面に向けて湾曲している。別言すれば、第2部品42は、車幅方向(図中のH方向)の両端が、車両前方へ向けて湾曲している。湾曲している部位を第1湾曲部42a、第2湾曲部42bと称することにする。
第3部品43は、第2部品42の第1湾曲部42aの内側に配置される。第3部品43は、第2部品42の第1湾曲部42aを補強する部品である。第3部品43の厚み(板厚)は、第1部品41の厚み(板厚)よりも大きく、第2部品42の厚み(板厚)よりも大きい。
図6に、図5のVI-VI線に沿った断面図を示す。図6は、水平な平面でカットした図であり、その断面を上方から見た図である。先に述べたように、第3部品43は、第2部品42の第1湾曲部42aの内側に配置されている。図6には、第3部品43の厚みt2が第2部品42の厚みt1よりも大きいことが示されている。第1部品41の厚みは第2部品42の厚みと等しい。従って、第3部品43の厚みは第1部品41の厚みよりも大きい。
車両が衝突して電力変換器10が後退すると、電力変換器10は車両後方に位置するブレーキアクチュエータ51(図3参照)と干渉する場合がある。電力変換器10の筐体11は、後方から荷重Fを受ける(図6)。第3部品43は、荷重Fに耐え得るように、プロテクタ40の強度を高める部品である。
第3部品43は、第2部品42の第1湾曲部42aの湾曲方向とは逆方向に湾曲している。別言すれば、第2部品42の第1湾曲部42aは、第1湾曲部42aが近接している筐体角部11cから離れる方向に湾曲しているのに対して、第3部品43は、筐体角部11cに近づく方向に湾曲している。それゆえ、図6に示されているように、第2部品42の一部と第3部品43の一部が平行になり、プロテクタ40の車両前後方向の強度が向上する。また、第3部品43は後方から筐体角部11cに接しており、後方からの荷重に対して高い強度を示す。
図7に、プロテクタ40が取り付けられた筐体後部の平面図を示す。プロテクタ40の第1部品41は、ボルト44で筐体11の上面に固定される。筐体11の上面には、サービス孔11dが設けられており、そのサービス孔11dは、サービスカバー48で覆われている。サービス孔11dは、筐体11の内部の部品をメンテナンスするために設けられた孔である。サービス孔11dを通じて筐体11の内部の部品をメンテナンスするには、サービスカバー48を外す必要がある。サービスカバー48は、ボルト49a、49bで筐体11に固定されている。ボルト49aのボルトヘッドは、プロテクタ40の第1部品41から前方(図中の座標系の+F方向)に延びている延設部41aで覆われている。従って、サービスカバー48を外すには、まずプロテクタ40を外さなければならず、サービスカバー48を外すまでには所定の時間を要することになる。この構造には次の利点がある。
電力変換器10の筐体11には、大容量のコンデンサが収容されている。大容量のコンデンサは、モータを駆動するのに必要な数十アンペアの電流の脈動を抑えるために備えられている。サービスカバー48を外す前に、コンデンサを放電しておく必要がある。サービスカバー48を外すのに先立ってプロテクタ40を外すのに時間を要する。プロテクタ40を外している間にコンデンサが放電される。すなわち、サービスカバー48を外すのに意図的に時間を要する構造にすることで、サービスカバー48を外す頃にはコンデンの放電が十分に進み、筐体11の内部にアクセスするサービススタッフの安全が確実に確保される。
プロテクタ40に関する利点を以下にまとめる。上記の通り、第3部品43を備えることで、プロテクタ40の強度が向上する。特に、衝突時に電力変換器10が後退して別の部品(例えば前述したブレーキアクチュエータ51)と接触した際、プロテクタ40は、接触の衝撃からDCパワーコネクタ15とエアコンコネクタ16を保護する。第3部品43は、後方から受ける荷重に対するプロテクタ40の耐荷重性を高める。
プロテクタ40は、3個の部品(第1部品41、第2部品42、第3部品43)で構成される。衝突時の耐荷重性能の確保は、第3部品43の厚みを大きくすることで実現できる。また、衝突時、ブレーキアクチュエータ51など、コネクタ周辺に配置されたデバイスからDCパワーコネクタ15とエアコンコネクタ16を保護する構造は、第2部品42の形状で決めることができる。筐体11に対するプロテクタ40の保持には、第1部品の剛性を調整することで達成できる。他方、車両振動を受けてプロテクタ40が発する振動騒音は、第1部品41と第2部品42の剛性を調整することで抑制できる。上記の目的は、プロテクタ40を3個の部品で構成することで効率よく実現できる。すなわち、(1)プロテクタ40を3個の部品で構成することで、箇所最適による軽量設計を実現できる。(2)個々の形状簡素化により生産性が向上する。(3)形状が簡素化できることにより、形状の自由度が高くなり、その他の機能を付加することが容易となる。
その他の機能とは、先に述べたサービスカバー48を取り外す際の安全性の確保と、コネクタ(DCパワーコネクタ15とエアコンコネクタ16)の被水抑制である。コネクタの被水抑制とは、走行中、フロントコンパートメント内に巻き上げられた水がコネクタに付着するのを抑制することである。被水抑制機能は、第1部品41と第2部品42の形状を工夫することで実現できる。
第1部品41、第2部品42、第3部品43は、それぞれ、金属板のプレス加工で作られる。3個の部品は、それぞれの目的に合わせて材料と形状と厚みが選定される。3個の部品は、目定に応じた材料と厚みの金属板で別々に作られるので、プロテクタ全体のコストと重量が抑えられる。
(第2実施例)次に、第2実施例の搭載構造を説明する。第2実施例の搭載構造は、電気自動車100aに適用されている。図8に、電気自動車100aが備えている電力変換器110とその周辺機器のブロック図を示す。電気自動車100aは、走行用に1個のモータ7を備えている。
電力変換器110は、バッテリ3の電力を走行用のモータ7の駆動電力に変換するデバイスである。電力変換器110の回路構造は、第1実施例の電力変換器10の回路構造(図2参照)からインバータ回路13bとモータ7bを除いたものに相当する。すなわち、電力変換器110は、コンバータ回路12とインバータ回路13と、制御基板14を備えている。インバータ回路13は、第1実施例の電力変換器10のインバータ回路13aに相当する。
電力変換器110は、DCパワーケーブル25を介してメインバッテリ3と接続されている。電力変換器110の筐体111とパワーケーブル25は、DCパワーコネクタ15で接続されている。また、インバータ回路13の出力は、筐体111に接続されたモータコネクタ17とモータパワーケーブル27を介してモータ7に供給される。
コンバータ回路12とインバータ回路13は、制御基板14に実装された制御回路によって制御される。制御基板14の制御回路は、補機バッテリ5から電力供給を受けて動作する。制御基板14の制御回路は、外部の上位制御器6からの指令を受けて動作する。補機バッテリ5と上位制御器6は、通信ケーブルと通信コネクタ18を介して電力変換器10の制御基板14と接続されている。
筐体111は、第1実施例における電力変換器10の筐体11と同様に、メインバッテリ3とエアコンコンプレッサ4の間の電力中継器を兼ねている。エアコンケーブル26とエアコンコネクタ16を介して、筐体111からエアコンコンプレッサ4へ、メインバッテリ3の電力が供給される。
図9に電気自動車100aの正面図を示し、図10に電気自動車100aの側面図を示す。図9、図10では、フロントコンパートメント50におけるデバイスレイアウトが理解できるように、電気自動車100aの車体と車輪は仮想線で描いてある。図9、図10においても、図中の座標系のF軸の正方向が車両の前方を示し、H軸は車幅方向を示し、V軸の正方向は車両の上方を示す。
走行用のモータ7は、モータハウジング130に収容されている。モータハウジング130は、フロントコンパートメント50の下方を車両前後方向に延びている一対のサイドメンバ52の間に懸架されている。
フロントコンパートメント50にて、一対のサイドメンバ52の間に、2本のクロスメンバ(第1クロスメンバ56と第2クロスメンバ57)が架け渡されている。電力変換器110は、フロントブラケット53とリアブラケット54によって、第1クロスメンバ56と第2クロスメンバ57に支持されている。電力変換器110は、モータハウジング130の上方にて、第1クロスメンバ56と第2クロスメンバ57に支持されている。フロントブラケット53は第1クロスメンバ56に固定されているとともに、筐体111の前面111aに固定されている。リアブラケット54は、第2クロスメンバ57に固定されているとともに筐体111の後面111bに固定されている。電力変換器110の筐体111は、モータハウジング130との間に隙間を有して第1クロスメンバ56と第2クロスメンバ57に支持されている。
筐体111の後面111bには、2個のコネクタ(DCパワーコネクタ15とエアコンコネクタ16)が取り付けられている。図10では、エアコンコネクタ16はDCパワーコネクタ15の後ろ側に位置しており、見えない。エアコンケーブル26は、DCパワーケーブル25の後ろ側に位置しており、見えない。なお、筐体111に取り付けられているモータコネクタ17と通信コネクタ18の図示は省略してある。
DCパワーコネクタ15とエアコンコネクタ16は、プロテクタ40によって覆われている。プロテクタ40は、筐体111の後部に固定されている。
フロントコンパートメント50にて、DCパワーコネクタ15やエアコンコネクタ16の後方には、ブレーキアクチュエータ51が配置されている。車両が前方衝突すると、フロントブラケット53とリアブラケット54が変形あるいは破断し、電力変換器110が後退する場合がある。電力変換器110が後退すると、DCパワーコネクタ15やエアコンコネクタ16がブレーキアクチュエータ51と干渉してダメージを受けるおそれがある。DCパワーコネクタ15とエアコンコネクタ16は、プロテクタ40が覆っており。プロテクタ40が、ブレーキアクチュエータ51との干渉からDCパワーコネクタ15とエアコンコネクタ16を保護する。プロテクタ40は、第1実施例のプロテクタ40と同じであり、図4-図7を参照して説明したとおり、第1部品41、第2部品42、第3部品で構成されている。従って、プロテクタ40は、第1実施例の搭載構造と同様に、DCパワーコネクタ15とエアコンコネクタ16を保護する。
実施例で説明した技術に関する留意点を述べる。モータ7a、7bを収容しているトランスアクスルがモータハウジングの一例である。リアブラケット54との間でDCパワーケーブル25を挟むおそれのある構造物は、ブレーキアクチュエータ51に限られない。また、リアブラケット54とフロントブラケット53は、トランスアクスル30やクロスメンバ56、57以外の構造物に固定されていてもよい。
本明細書が開示す搭載構造は、ハイブリッド車と電気自動車のほか、燃料電池車など、走行用のモータを有している自動車に適用することもできる。
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。
3:メインバッテリ
7、7a、7b:モータ
10、110:電力変換器
11、111:筐体
11b、111b:後面
11c:筐体角部
11d:サービス孔
111a:前面
15:DCパワーコネクタ
16:エアコンコネクタ
17:モータコネクタ
18:通信コネクタ
25:DCパワーケーブル
26:エアコンケーブル
27:モータパワーケーブル
30:トランスアクスル
40:プロテクタ
41:第1部品
41a:延設部
42:第2部品
42a、42b:湾曲部
43:第3部品
44、49a、49b:ボルト
50:フロントコンパートメント
51:ブレーキアクチュエータ
53:フロントブラケット
54:リアブラケット
56:第1クロスメンバ
57:第2クロスメンバ
130:モータハウジング

Claims (1)

  1. 電源の電力を走行用のモータの駆動電力に変換する電力変換器のフロントコンパートメントへの搭載構造であり、
    前記電力変換器は、前記フロントコンパートメント内の構造物の上にフロントブラケットとリアブラケットを介して固定されており、
    前記電源の電力を前記電力変換器へ伝達するパワーケーブルのコネクタが前記電力変換器の車両後方を向く後面に取り付けられており、
    前記コネクタを覆うように、前記電力変換器の後部にプロテクタが取り付けられており、
    前記プロテクタは、
    前記コネクタの上面を覆うように前記電力変換器に固定されている第1部品と、
    前記コネクタの後面を覆うように前記電力変換器に固定されており、車幅方向の両端が前記電力変換器の側面に向けて湾曲している第2部品と、
    前記第2部品の一方の湾曲している部位の内側に配置されている第3部品と、
    を備えており、
    前記第1部品と前記第2部品と前記第3部品が相互に接合されており、
    前記第3部品の板厚が前記第1部品の板厚と前記第2部品の板厚よりも大きい、搭載構造。
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