JP7095590B2 - 車両用電力変換装置 - Google Patents

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本明細書に記載の開示は、直流電力を交流電力に変換する電力変換回路を備えた車両用電力変換装置に関するものである。
特許文献1には、バッテリの直流電力を交流電力に変換して走行モータへ供給する、パワーコントロールユニット(PCU)が記載されている。このPCUには電力線がコネクタ接続されている。
ここで、車両の衝突時には、PCUの周囲に位置する何らかの車載部品が、コネクタに衝突して損傷させる場合がある。この場合、コネクタ端子等の高電圧部品が車両乗員に接触可能な状態で露出しないように、対策することが望まれる。この対策として、特許文献1には、コネクタをガードするガード部を設ける旨が記載されている。
特開2012-96661号公報
しかしながら、PCUに衝突する車載部品が重量物である場合、PCU全体が所定位置から大きく移動する場合がある。この場合には、上記ガード部によりコネクタをガードできたとしても、移動するPCUに電力線が引っ張られてコネクタが外れ、上記高電圧部品が露出する懸念が生じる。
そこで本明細書に記載の開示は、車両の衝突時にワイヤハーネスのコネクタが外れる懸念の低減を図った、車両用電力変換装置を提供することを目的とする。
第1の開示は、
車両に搭載されるバッテリの直流電力を交流電力に変換して走行用モータ(1)へ供給する電力変換回路(10)と、
電力変換回路を内部に収容するケース(20)と、
車両の設置部(2)にケースを締結する締結部材(32)と、
ケースに取り付けられたコネクタ(41)と、
コネクタに接続されることで、電力変換回路に電気的に接続されるワイヤハーネス(50)と、
ワイヤハーネスを支持するハーネス支持部材(60、60A)と、
を備え、
ケースは、電力変換回路を内部に収容する収容部(21)と、締結部材により設置部に締結されるフランジ部(22)と、を有し、
ハーネス支持部材は、締結部材に取り付けられ、かつ、収容部に対向配置され
ハーネス支持部材が取り付けられる締結部材は、第1ネジ部(32B1)および第2ネジ部(32B2)を有するスタッドボルト(32B)と、第1ネジ部に螺合してケースを設置部に締結させるナット(NT)と、を有し、
ハーネス支持部材は第2ネジ部に取り付けられている車両用電力変換装置である。
ここで、車両の衝突に伴い車両用電力変換装置の全体が所定位置から大きく移動した場合であっても、ケースに対する締結部材の相対位置は大きく変化しない場合がある。この点を鑑みた上記第1の開示では、ハーネス支持部材が、ケースとの相対位置が大きく変化しない締結部材に取り付けられている。そのため、上述の如く装置全体が大きく移動した場合であっても、ケースに取り付けられているコネクタとハーネス支持部材との相対位置が大きく変化しない場合がある。この場合には、車両の衝突時にワイヤハーネスが引っ張られる力は、ハーネス支持部に付与されるに留まり、コネクタには付与されにくくなるので、コネクタが外れる懸念を低減できる。
さらに上記第1の開示によれば、ハーネス支持部材はケースの収容部に対向配置されている。そのため、ハーネス支持部材が以下に説明する防護機能をも発揮するようになる。すなわち、車両用電力変換装置の周囲に位置する何らかの車載部品が、車両衝突時にケースの収容部に向かって移動してきたとしても、収容部よりも先にハーネス支持部材に衝突することになる。よって、車載部品が収容部に直接衝突するおそれを低減できるので、収容部に収容されている電力変換回路が損傷する懸念を低減できる。
なお、上記の括弧内の参照番号は、後述の実施形態に記載の構成との対応関係を示すものに過ぎず、技術的範囲を何ら制限するものではない。
第1実施形態に係る電力変換装置が車両に搭載された状態を示す斜視図である。 図1のII矢視図である。 図1のIII矢視図である。 図1のIV矢視図である。 車両衝突にともない電力変換装置が所定位置から移動する一例を示す図である。 第2実施形態に係る電力変換装置が車両に搭載された状態を示す正面図である。 第3実施形態に係る電力変換装置が車両に搭載された状態を示す正面図である。 第4実施形態に係る電力変換装置が車両に搭載された状態を示す正面図である。
以下、本開示の複数の実施形態を図面に基づいて説明する。尚、各実施形態において対応する構成要素には同一の符号を付すことにより、重複する説明を省略する場合がある。各実施形態において構成の一部分のみを説明している場合、当該構成の他の部分については、先行して説明した他の実施形態の構成を適用することができる。また、各実施形態の説明において明示している構成の組み合わせばかりではなく、特に組み合わせに支障が生じなければ、明示していなくても複数の実施形態の構成同士を部分的に組み合わせることができる。そして、複数の実施形態及び変形例に記述された構成同士の明示されていない組み合わせも、以下の説明によって開示されているものとする。
(第1実施形態)
先ず、図1および図2を用いて、本実施形態に係る電力変換装置5が搭載される車両について説明する。上記車両には、図示しない内燃機関(エンジン)、バッテリ、走行用モータ1および電力変換装置5が搭載されている。車両の運転席前方には、エンジン、走行用モータ1および電力変換装置5等が配置されるエンジンルームが設けられている。車両は、エンジンの駆動力と走行用モータ1の駆動力とを切り替えて走行可能なハイブリッド自動車である。なお、エンジンが搭載されていない電気自動車に電力変換装置5が搭載されていてもよい。
次に、図1~図4を用いて、電力変換装置5の構造について詳細に説明する。
電力変換装置5は、ブラケット2を介して走行用モータ1に取り付けられている。ブラケット2は、走行用モータ1のハウジングにボルト3で締結されている。図1に示す例では、所定方向に延びる複数のブラケット2が等間隔に並べて配置されている。各ブラケット2の両端部分がボルト3で走行用モータ1に締結されている。
電力変換装置5は、バッテリの直流電力を交流電力に変換して走行用モータ1へ供給する電力変換回路10と、電力変換回路10を内部に収容するケース20とを備える。電力変換回路10は、3相のレグおよびコンデンサ12(図2参照)を有する。各々のレグは、スイッチング素子により構成される上アーム回路および下アーム回路を有する。各相の上下アーム回路は、2つの電力ラインの間で並列接続されている。コンデンサ12は、上下アーム回路に並列接続され、かつ、直流電源に並列に接続されている。コンデンサ12は、たとえば直流電圧を平滑化し、その直流電圧の電荷を蓄積する。
図2に示す半導体装置11は、上下アーム回路の一方を構成する。すなわち、2つの半導体装置11により、1つの上下アーム回路が構成される。このような半導体装置11は、1つのアームを構成する要素単位でパッケージ化されているため、1in1パッケージとも称される。半導体装置11は、封止樹脂体、スイッチング素子、出力端子、高電圧側端子(P側端子)、低電圧側端子(N側端子)、及び信号端子を備えている。これらの端子およびスイッチング素子は、封止樹脂体によって封止されている。
半導体装置11の出力端子は、スイッチング素子の出力電極に接続されている。上下アーム回路の各々の出力端子は、互いに接続されて中点を構成し、走行用モータ1の巻線であるモータ巻線と電気的に接続されている。より具体的に説明すると、出力端子は、図示しないバスバーによって、ケース20に取り付けられたコネクタ41と接続されている。コネクタ41は、モータ巻線に接続されているワイヤハーネス50とコネクタ接続されている。これにより、出力端子から出力される交流電力が走行用モータ1へ供給されたり、走行用モータ1で発電された交流電力が出力端子へ入力されたりする。
なお、ワイヤハーネス50は、電線部51およびコネクタ部52を有する。電線部51は、3相各々に対応する電線が束ねられて絶縁樹脂で被覆されたものである。コネクタ部52は、コネクタ41と電気的かつ機械的に接続される。
半導体装置11の信号端子は、スイッチング素子の制御電極に接続されている。この信号端子は、図示しないバスバーによって、ケース20に取り付けられたコネクタ43と接続されている。コネクタ43は、図示しない電子制御装置(ECU)と電気的に接続されている。これにより、半導体装置11の信号端子はECUと電気的に接続される。ECUは制御信号を生成して半導体装置11へ出力する。これによりECUは電力変換装置5に入力される電力を直流から交流に、若しくは、交流から直流に変換するように、複数のスイッチング素子を開閉制御する。
半導体装置11のP側端子は、図示しないバスバーによって、ケース20に取り付けられたコネクタ42と接続されている。コネクタ42は、先述したバッテリと電気的に接続されている。これにより、バッテリの直流電力が半導体装置11へ供給されて走行用モータ1の駆動電力として利用されたり、半導体装置11からバッテリへ直流電力が供給されてバッテリの充電電力として利用されたりする。
要するに、電力変換装置5は、バッテリと走行用モータ1との間の電力変換を行う。電力変換装置5が有する複数のスイッチング素子がECUによってPWM制御されることにより、バッテリの直流電力が交流電力に変換される。また、走行用モータ1の発電(回生)によって生成された交流電力が直流電力に変換される。
ケース20は、電力変換回路10を内部に収容する収容部21と、後述するフランジ部22とを有する金属製である。本実施形態では、収容部21とフランジ部22とがアルミダイカストで一体に形成されている。図示を省略しているが、収容部21は、開口を有する本体と、その開口を閉鎖する蓋体とを有する。電力変換回路10は、本体の開口から内部に挿入される。蓋体は本体にボルトで締結されている。
収容部21は、蓋体により構成される上面21aと、4つの側面21bと、底面とを有する直方体形状である。フランジ部22は、底面から平行に延びる形状、かつ、底面を囲う環状に延びる形状に形成されている。3つのコネクタ41、42、43は側面21bに取り付けられている。走行用モータ1との接続用のコネクタ41は、バッテリとの接続用のコネクタ42、およびECUとの接続用のコネクタ43とは異なる側面21bに取り付けられている。
フランジ部22は、先述したブラケット2(設置部)に複数の締結部材31、32で締結されている。本実施形態では、フランジ部22は8箇所で締結されている。締結部材31、32は、ボルト31B、32BおよびナットNTを有する。ボルト31B、32Bは、フランジ部22およびブラケット2のボルト穴に、フランジ部22の側から挿入される。ナットNTは、ブラケット2の側からボルト31B、32Bにネジ締結される。
複数のボルト31B、32Bのうち、コネクタ41に接続された状態のコネクタ部52に対向するボルトには、スタッドボルト32Bが用いられている。上記「コネクタ部52に対向」を詳細に説明すると、図4中の隠れ線に示すスタッドボルト32Bの先端部分が、コネクタ部52をコネクタ41に嵌め込む方向(コネクタ嵌合方向)から見て、コネクタ41およびコネクタ部52に重なっている。
図4に示すように、スタッドボルト32Bは、第1ネジ部32B1および第2ネジ部32B2を有する。第1ネジ部32B1にはナットNTが螺合されている。これにより、ケース20はブラケット2(設置部)に締結される。第2ネジ部32B2にはハーネス支持部材60が取り付けられている。
ハーネス支持部材60は、金属製であり、第1部位61および第2部位62を有する。第1部位61はスタッドボルト32Bと同軸に延びる形状であり、第2部位62は、第1部位61に対して交差する向きに延びる形状である。図4に示す例では、第2部位62は、第1部位61に直交する向きに延びる。第1部位61には、第2ネジ部32B2に螺合するネジ部が形成されている。第2部位62には、結束バンド70が締め付けられている。これにより、ワイヤハーネス50の電線部51が、第2部位62に結束されて、ハーネス支持部材60により支持されることとなる。
結束バンド70は、樹脂製であり、第2部位62と電線部51を取り囲む環状の形状である。結束バンド70は、環状の直径を調節可能な構造であり、かつ、調節した直径に保持させる機能を有する。したがって、作業者は、電線部51を第2部位62に押し付けるように結束バンド70の直径を小さくすれば、その締め付けられた状態が保持されることとなる。結束バンド70の締め付けにより、電線部51のハーネス支持部材60に対する移動が規制される。詳細には、電線部51の延びる方向に対して垂直な方向に移動することが規制される。
そして、このように移動を規制する向きが、先述したコネクタ嵌合方向と一致するように、ハーネス支持部材60の向きが設定されている。換言すると、第2部位62の延出方向がコネクタ嵌合方向に対して直交するように、ハーネス支持部材60の向きが設定されている。
ハーネス支持部材60は、収容部21の側面21bに対向配置されている。上記「側面21bに対向」を詳細に説明すると、ハーネス支持部材60の全体が、コネクタ嵌合方向から見て側面21bに重なっている。また、第2部位62の一部および第1部位61の一部は、コネクタ部52にも対向している。
<作用効果>
車両外部の障害物に車両が衝突することに伴い、電力変換装置5の全体が所定位置から大きく移動する場合がある。図5に示す例では、図中の袋矢印に示す向きにエンジンルーム内のラジエータが電力変換装置5に衝突し、ボルト3が損傷した場合を想定している。より具体的には、締結部材31による締結は保持されたまま、ブラケット2とケース20が一体となって、図中の点線位置から実線位置へと移動する場合を想定している。この場合、電力変換装置5は所定位置から大きく移動するものの、ケース20に対する締結部材32の相対位置は大きく変化しない。
この点を鑑み、本実施形態に係る電力変換装置5では、ハーネス支持部材60は、ブラケット2(設置部)にケース20を締結する締結部材31に取り付けられている。そのため、車両衝突時に電力変換装置5が大きく移動した場合であっても、ケース20に取り付けられているコネクタ41と、締結部材32に取り付けられているハーネス支持部材60との相対位置は大きく変化しにくくなる。よって、車両衝突時に走行用モータ1と電力変換装置5との間でワイヤハーネス50が引っ張られる力は、ハーネス支持部材60に付与されるに留まり、コネクタ41には付与されにくくなる。よって、車両衝突時にコネクタ41からワイヤハーネス50が外れる懸念を低減できる。
さらに本実施形態では、ハーネス支持部材60は、電力変換回路10を収容する収容部21に対向配置されている。そのため、ハーネス支持部材60が以下に説明する防護機能をも発揮するようになる。すなわち、電力変換装置5の周囲に位置する何らかの車載部品、例えば上述したラジエータが、車両衝突時にケース20の収容部21に向かって移動してきたとしても、そのラジエータは、収容部21よりも先にハーネス支持部材60に衝突することになる。よって、ラジエータ等の車載部品が収容部21に直接衝突するおそれを低減できるので、収容部21に収容されている電力変換回路10が損傷する懸念を低減できる。
さらに本実施形態では、ハーネス支持部材60が取り付けられる締結部材32は、第1ネジ部32B1および第2ネジ部32B2を有するスタッドボルト32Bと、第1ネジ部32B1に螺合してケース20を設置部に締結させるナットNTと、を有する。そして、ハーネス支持部材60は第2ネジ部32B2に取り付けられている。これによれば、スタッドボルト32Bを用いることで、ケース20の締結とハーネス支持部材60の取付けの両方の機能を締結部材32に備えさせることができる。よって、少ない部品点数かつ簡素な構造で、ハーネス支持部材60を締結部材32に取り付けることを実現できる。
さらに本実施形態では、ハーネス支持部材60はコネクタ41に対向配置されているので、先述した防護機能をコネクタ41に対しても発揮させることができる。よって、コネクタ41およびコネクタ部52にラジエータ等の車載部品が直接衝突するおそれを低減でき、ワイヤハーネス50がコネクタ41から外れるおそれを低減できる。
さらに本実施形態では、スタッドボルト32Bはコネクタ41に対向配置されている。そのため、先述した防護機能を、ハーネス支持部材60とは別にスタッドボルト32Bにも持たせることができる。よって、コネクタ41に対する防護機能を向上させることができ、電力変換回路10が損傷する懸念をより一層低減できる。また、スタッドボルト32Bは収容部21にも対向して配置されているので、収容部21に対する防護機能をも向上できる。
さらに本実施形態では、複数の締結部材31、32によるブラケット2とケース20との締結力を、複数のボルト3による走行用モータ1とブラケット2との締結力よりも大きく設定している。そのため、図5に例示するように、車両衝突時に、締結部材31による締結は保持されたままブラケット2とケース20が一体となって移動することを促すことができる。よって、ブラケット2とケース20との締結が損傷することによる締結部材31の支持力低下を抑制することができる。よって、ワイヤハーネス50が引っ張られる力をハーネス支持部材60で支持させる機能の低下を抑制できる。
図5に示す例では、ボルト31B、32Bの数がボルト3の数より少なく設定され、かつ、ボルト31B、32Bのせん断耐久性能がボルト3のせん断耐久性能より高く設定されている。これにより、ブラケット2とケース20との締結よりも優先してブラケット2とケース20との締結を損傷させることを実現させている。
(第2実施形態)
上記第1実施形態では、図4に示すように、1つのハーネス支持部材60が電力変換装置5に備えられている。これに対し、図6に示す本実施形態では、複数のハーネス支持部材60、60Aが備えられている。ハーネス支持部材60は、収容部21の1つの側面21bに対向するのに対し、ハーネス支持部材60Aは、収容部21の2つの側面21bに跨って対向する。
また、図4に示すハーネス支持部材60は、第2部位62が第1部位61の先端から片側に延びる形状である。これに対し本実施形態では、ハーネス支持部材60Aは、第2部位62Aが第1部位61の先端から両側に延びる形状である。そして、両側の各々が、結束バンド70により電線部51と結束されている。
以上により、本実施形態によれば、ハーネス支持部材60が複数備えられている。そのため、ワイヤハーネス50が引っ張られる力をハーネス支持部材60で支持させる機能を向上できる。また、収容部21に対向するハーネス支持部材60が複数備えられているので、収容部21に対する防護機能を向上できる。
(第3実施形態)
上記第1実施形態では、ハーネス支持部材60は締結部材32に取り付けられている。これに対し、図7に示す本実施形態では、ハーネス支持部材60Bはフランジ部22に取り付けられている。例えば、ハーネス支持部材60Bはフランジ部22に溶接して固定されていてもよいし、図示しないボルトでフランジ部22に締結されていてもよい。
ハーネス支持部材60Bは、金属製であり、第1部位63および第2部位64を有する。第1部位63は、溶接やボルトによりフランジ部22に取り付けられている。ハーネス支持部材60Bは複数(図7の例では2つ)の第1部位63を有する。第2部位64は、複数の第1部位63の端部を連結する形状である。第2部位64には、結束バンド70が締め付けられている。これにより、ワイヤハーネス50の電線部51が、第2部位64に結束されて、ハーネス支持部材60Bにより支持されることとなる。
ハーネス支持部材60Bの一部は、収容部21の1つの側面21bに対向し、ハーネス支持部材60Bの他の部分は、収容部21の2つの側面21bに跨って対向する。
以上により、本実施形態に係る電力変換装置5では、ハーネス支持部材60Bは、ブラケット2(設置部)に締結されているケース20のフランジ部22に取り付けられている。そのため、車両衝突時に電力変換装置5が大きく移動した場合であっても、ケース20に取り付けられているコネクタ41と、フランジ部22に取り付けられているハーネス支持部材60Bとの相対位置は大きく変化しにくくなる。よって、車両衝突時にワイヤハーネス50が引っ張られる力は、ハーネス支持部材60Bに付与されるに留まり、コネクタ41には付与されにくくなるので、コネクタ41からワイヤハーネス50が外れる懸念を低減できる。
さらに本実施形態では、ハーネス支持部材60Bは、電力変換回路10を収容する収容部21に対向配置されている。そのため、ハーネス支持部材60Bが、上記第1実施形態と同様の防護機能をも発揮するようになり、収容部21に収容されている電力変換回路10が損傷する懸念を低減できる。
(第4実施形態)
上記第3実施形態では、ハーネス支持部材60Bが有する複数の第1部位63は2つである。これに対し、本実施形態に係るハーネス支持部材60Cは、図8に示すように、ハーネス支持部材60Bが有する複数の第1部位63は3つである。そのため、ハーネス支持部材60Cによる収容部21に対する防護機能を、第1部位63を2つとした上記第3実施形態に比べて向上できる。
(他の実施形態)
以上、本開示の好ましい実施形態について説明したが、本開示は上記した実施形態になんら制限されることなく、本開示の主旨を逸脱しない範囲において、種々変形して実施することが可能である。
上記各実施形態に係るケース20は、収容部21とフランジ部22とがアルミダイカストで一体に形成された構造であるが、収容部21とフランジ部22とが別々の母材で形成され、ボルトや溶接で一体化された構造であってもよい。
上記各実施形態では、電力変換装置5は、走行用モータ1のモータケースにブラケット2を介して取り付けられているが、ブラケット2を廃止してモータケースに直接取り付けられていてもよい。或いは、電力変換装置5は、車両のシャーシに取り付けられていてもよい。或いは、走行用モータ1の出力軸の回転速度を減速させる減速ギヤと、その減速ギヤを収容するギヤケースを備える車両において、ギヤケースに電力変換装置5が取り付けられていてもよい。
図4に示す例では、ハーネス支持部材60が取り付けられる締結部材32にスタッドボルト32Bが用いられているが、他の締結部材31と同様のボルト31Bが用いられてもよい。その場合のハーネス支持部材60は、フランジ部22とともにブラケット2にボルト31Bで締結されることになる。
図6、図7および図8に示すハーネス支持部材60A、60B、60Cは、収容部21の側面21bに対して垂直方向から見て、コネクタ41およびコネクタ部52からずれた位置(非対向位置)に配置されている。これに対し、これらのハーネス支持部材60A、60B、60Cについても、ハーネス支持部材60と同様にして、上記垂直方向から見てコネクタ41およびコネクタ部52に対向する位置に配置されていてもよい。
上記各実施形態では、電力変換装置5が直流電力を交流電力に、交流電力を直流電力に変換する機能を有する例を示した。しかしながら電力変換装置5は入力電力を昇降圧して出力する機能を有してもよい。また電力変換装置5にこの入力電力を昇降圧する電気機器が接続された構成を採用することもできる。この電気機器に含まれるスイッチ素子もECUによって開閉制御される。
上記各実施形態に係る半導体装置11には、1つのアームを構成する要素単位でパッケージ化された1in1パッケージ構造が採用されているが、上下アームを構成する要素単位でパッケージ化された2in1パッケージ構造が採用されていてもよい。
1 走行用モータ、 電力変換装置5、 10 電力変換回路、 2 設置部、 20 ケース、 21 収容部、 22 フランジ部、 32 締結部材、 32B スタッドボルト、 32B1 第1ネジ部、 32B2 第2ネジ部、 41 コネクタ、 50 ワイヤハーネス、 60、60A、60B、60C ハーネス支持部材、 NT ナット。

Claims (2)

  1. 車両に搭載されるバッテリの直流電力を交流電力に変換して走行用モータ(1)へ供給する電力変換回路(10)と、
    前記電力変換回路を内部に収容するケース(20)と、
    前記車両の設置部(2)に前記ケースを締結する締結部材(32)と、
    前記ケースに取り付けられたコネクタ(41)と、
    前記コネクタに接続されることで、前記電力変換回路に電気的に接続されるワイヤハーネス(50)と、
    前記ワイヤハーネスを支持するハーネス支持部材(60、60A)と、を備え、
    前記ケースは、前記電力変換回路を内部に収容する収容部(21)と、前記締結部材により前記設置部に締結されるフランジ部(22)と、を有し、
    前記ハーネス支持部材は、前記締結部材に取り付けられ、かつ、前記収容部に対向配置され
    前記ハーネス支持部材が取り付けられる前記締結部材は、第1ネジ部(32B1)および第2ネジ部(32B2)を有するスタッドボルト(32B)と、前記第1ネジ部に螺合して前記ケースを前記設置部に締結させるナット(NT)と、を有し、
    前記ハーネス支持部材は前記第2ネジ部に取り付けられている車両用電力変換装置。
  2. 前記スタッドボルトは、前記コネクタに対向配置されている請求項に記載の車両用電力変換装置。
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