JP6981228B2 - 電力制御ユニットの搭載構造 - Google Patents

Description

本発明は、走行用のモータを駆動する電力制御ユニット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、電力制御ユニットのフロントコンパートメントへの搭載構造が開示されている。特許文献１に開示された技術では、電力制御ユニットは、その前後をフロントブラケットとリアブラケットで支持され、モータを収容しているハウジングの上方に隙間を有して固定される。フロントブラケットとリアブラケットによって電力制御ユニットとハウジングの間に隙間を確保するのは、ハウジングを介して電力制御ユニットに伝わるモータの振動を抑制するためである。なお、以下では、説明の便宜上、フロントブラケットとリアブラケットを区別なく表すときには単に「ブラケット」と表記することがある。フロントブラケットとリアブラケットの双方を指す場合には、「両方のブラケット」と表記することがある。

電力制御ユニットには、数十キロワット以上の電力を伝送するパワーケーブルが接続される。特許文献１の搭載構造では、リアブラケットは、ハウジングに固定される基部と、基部から延びて電力制御ユニットを支える支持部を備えている。基部には、ハウジングとの間でパワーケーブルを車両前後方向で通すアーチ部が設けられている。さらに、基部より上方で支持部に降伏部が設けられている。車両が衝突した際、ハウジングとの間に隙間を有して支持されている電力制御ユニットは、前方から荷重を受けて後退する場合がある。リアブラケットに所定以上の荷重が加わると、降伏部が最初に降伏して支持部が後方に折れ曲がる。アーチ部よりも上方で支持部が折れ曲がるので、アーチ部の下を通るケーブルがリアブラケットの変形に巻き込まれることがない。

図９に、特許文献１に開示されているリアブラケット１４０を示す。図９は、斜め後方からみた電力制御ユニット２０の後部とリアブラケット１４０である。電力制御ユニット２０は、リアブラケット１４０と不図示のフロントブラケットにより、ハウジング３０の上面３０ａとの間に隙間を有して支持されている。電力制御ユニット２０の後面２０ｃにパワーケーブル２４のコネクタ２３が接続されている。なお、図９では、パワーケーブル２４とコネクタ２３は仮想線で描いてある。リアブラケット１４０は、ハウジング３０に固定される基部１４３と、基部１４３の前端から電力制御ユニット２０へと延びている支持部１４１を備えている。基部１４３には、ハウジング３０との間に、パワーケーブル２４が車両前後方向に通るアーチ部１４４が設けられている。また、支持部１４１の両端には、リブ１４５が設けられており、リブ１４５の上下方向のほぼ中央に貫通孔１４６が設けられている。貫通孔１４６が前述した降伏部に相当する。衝突の際、電力制御ユニット２０が前方から荷重を受けると強度（剛性）が低くなっている貫通孔１４６の箇所で支持部１４１が折れ曲がり、衝突の衝撃を緩和する。

特開２０１７−０２４４６６号公報

本明細書が開示する技術は、軽量化や製造容易性などの点で、特許文献１の搭載構造におけるリアブラケットの改良に関する。

本明細書は、走行用のモータを駆動する電力制御ユニットのフロントコンパートメントへの搭載構造を開示する。電力制御ユニットは、その前後をフロントブラケットとリアブラケットで支持されつつ、モータを収容するハウジングの上方に隙間を有して固定されている。リアブラケットは、ハウジングに固定される基部と、基部の前端から電力制御ユニットへと延びている支持部を備えている。基部は、ハウジングとの間でケーブルを車両前後方向に通すアーチ部を備えている。アーチ部の車両前後方向における後端が、基部をハウジングに締結している締結点よりも車両前方に位置している。

図９に示されているように、従来のリアブラケット１４０では、アーチ部１４４は、基部１４３の前端から後端まで延びている。別言すれば、アーチ部１４４は、基部１４３をハウジング３０に固定しているボルト５４（締結部）よりも後方まで延びている。アーチ部１４４は、基部１４３と支持部１４１の境界付近の強度を高める作用を及ぼすため、長いアーチ部１４４は、基部１４３と支持部１４１の境界付近の強度を顕著に高める。従来のリアブラケット１４０は、衝突の際、支持部１４１と基部１４３の境界付近で支持部１４１が折れず、支持部１４１に設けられた貫通孔１４６（降伏部）の部位で支持部１４１が折れ曲り、前方から電力制御ユニット２０に加わる衝突荷重を緩和する。アーチ部１４４が基部の後端まで延びており、その下側を通るパワーケーブル２４を保護する。これに対して本明細書が開示する搭載構造では、アーチ部の前後方向の長さを短くし、リアブラケットの基部と支持部の境界付近の剛性を下げる。即ち、特許文献１のリアブラケット１４０では、アーチ部１４４より上方に降伏部（貫通孔１４６）を配置したのに対して、本明細書が開示するリアブラケットでは、基部と支持部の境界付近が降伏部に相当する。アーチ部が短くなるので、軽量化につながる。また、貫通孔１４６を設ける必要が無いので製造工程が簡素化できる。また、リアブラケットの剛性が低くなるので、両方のブラケットによる衝突荷重の分担比率において、リアブラケットの分担比率を下げることができる。

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。

フロントコンパートメントにおける部品レイアウトの一例を示す斜視図である。 ハウジングとＰＣＵ（電力制御ユニット）の側面図である。 リアブラケットの斜視図である。 リアブラケットとＰＣＵを斜め後方からみた図である。 リアブラケット付近の拡大側面図である。 変形したリアブラケット付近の拡大側面図である。 リアブラケット付近の拡大側面図である（従来例）。 変形したリアブラケット付近の拡大側面図である（従来例）。 従来のリアブラケットとＰＣＵを斜め後方からみた図である。

図面を参照して実施例の搭載構造２を説明する。実施例の搭載構造２は、走行用のモータ３とエンジン９８の双方を備えたハイブリッド車１００に適用されている。ハイブリッド車１００は、エンジン９８、モータ３、及び、モータ３を駆動する電力制御ユニット２０を車両のフロントコンパートメント９０に搭載している。フロントコンパートメント９０において、電力制御ユニット２０は、ハウジング３０の上に固定されている。ハウジング３０は、モータ３と動力分配機構６とデファレンシャルギア４を収容している。説明を簡単にするために、以下では、「電力制御ユニット２０」を略して「ＰＣＵ２０」と表記する。ＰＣＵは、Power Control Unitの略である。

図１に、フロントコンパートメント９０におけるデバイス群の配置を示す。フロントコンパートメント９０には、エンジン９８、ＰＣＵ２０、ハウジング３０が搭載されている、それらデバイス群の他にも、バッテリ９５など様々なデバイスが配置されているが、それらの説明は省略する。図１ではハウジング３０やエンジン９８などは模式化して描かれていることに留意されたい。なお、図中の座標系は、Ｆ軸が車両前方を示しており、Ｖ軸が車両上方を示しており、Ｈ軸は車幅方向（車両の左側方）を示している。座標系の記号の意味は、以降の図でも同じである。また、以下では、フロントコンパートメント９０に搭載される部品に対して「前面」、「後面」、「前部」、「後部」などの表現を用いるが、これらの表現における「前」は車両前方側を意味し、「後」は車両後方側を意味する。

先に述べたように、ハウジング３０には、モータ３のほか、動力分配機構６とデファレンシャルギア４が収容されている。動力分配機構６は、エンジン９８の出力トルクとモータ３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６は、状況に応じて、エンジン９８の出力トルクを分割してデファレンシャルギア４とモータ３へ伝達する。デファレンシャルギア４を内蔵しているので、ハウジング３０は、別言すれば、モータとトランスアクスルのケースである。ハウジング３０は、例えば、アルミニウムのダイキャスト、あるいは、削り出しで作られる。

エンジン９８とハウジング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９８とハウジング３０は、車両の構造強度を担保するサイドメンバ９６に懸架されている。図１では１本のサイドメンバ９６のみが描かれているが、図１においてエンジン９８の左下にも別のサイドメンバが伸びている。エンジン９８とハウジング３０は、２本のサイドメンバの間に懸架されている。

ＰＣＵ２０は、モータ３を駆動するデバイスである。より詳しくは、ＰＣＵ２０は、不図示の高電圧バッテリの電力を昇圧した後、交流に変換してモータ３へ供給する。ＰＣＵ２０は、また、モータ３が発電した交流電力を直流電力に変換し、さらに降圧する場合がある。降圧された電力によって高電圧バッテリが充電される。

詳しくは後述するが、実施例の搭載構造２において、ＰＣＵ２０は、ハウジング３０の上面との間に隙間を有して支持される。ＰＣＵ２０は、その前側がフロントブラケット１０によって支持されており、後側がリアブラケット４０によって支持されている。図１とともに図２を参照してハウジング３０とＰＣＵ２０の関係を詳しく説明する。図２は、ＰＣＵ２０とハウジング３０の側面図である。「側面」とは、車幅方向（図中のＨ軸方向）から見たときの図である。

ＰＣＵ２０とハウジング３０は、６本のパワーケーブル２１で電気的に接続されている。パワーケーブル２１は、ＰＣＵ２０からモータ３へ電力を送るためのワイヤハーネスである。説明を省略したが、ハウジング３０には２個の３相交流モータが収容されており、６本のパワーケーブル２１は２組の３相交流を伝送する。符号３１は、ハウジング３０の上面３０ａに設けられているパワーケーブル端子を示している。ハウジング３０には２個のモータが収容されているが、以下では、一方のモータ（モータ３）に着目して説明を続ける。

先に述べたように、ハウジング３０には、モータ３と動力分配機構６とデファレンシャルギア４が収容されている。ハウジング３０の内部では、モータ３の出力軸３ａと動力分配機構６の主軸６ａとデファレンシャルギア４の主軸４ａが平行に並んでいる。それら３本の軸は車幅方向に伸びている。図２に示すように、３本の軸は、車幅方向からみて三角形をなすように配置されている。３本の軸の上記配置のため、ハウジング３０の上面３０ａは、前下がりに傾斜している。それゆえ、上面３０ａの上方に支持されるＰＣＵ２０も、前下がりに傾斜して配置される。

ＰＣＵ２０は、フロントブラケット１０とリアブラケット４０によってハウジング３０の上方に支持されている。フロントブラケット１０は、ＰＣＵ２０の前面２０ａを支持し、リアブラケット４０はＰＣＵ２０の後面２０ｃを支持する。ＰＣＵ２０の下面２０ｂとハウジング３０の上面３０ａとの間には、隙間ＳＰが確保されている。この隙間ＳＰは、フロントブラケット１０とリアブラケット４０によって確保される。

フロントブラケット１０は、ハウジング３０に固定される基部１３と、基部１３の後端からＰＣＵ２０へと延びている支持部１１を備えている。先に述べたように、フロントブラケット１０の基部１３の後端とは、ハウジング３０の上に固定されている基部１３の車両後方側の端を意味する。

フロントブラケット１０の基部１３は、ボルト５２によってハウジング３０の上面３０ａに固定され、支持部１１の上部がボルト５１によってＰＣＵ２０の前面２０ａに連結される。支持部１１の上部とＰＣＵ２０との間には防振ブッシュ１２が挟まれている。図１に示されているように、フロントブラケット１０は、車幅方向に並ぶ３個のボルトによってハウジング３０に固定され、車幅方向に並ぶ２個の別のボルトによってＰＣＵ２０に連結される。フロントブラケット１０は、金属板（鋼板）のプレス加工で作られている。

リアブラケット４０は、ハウジング３０に固定される基部４３と、基部４３の前端からＰＣＵ２０へと延びている支持部４１を備えている。基部４３の前端とは、ハウジング３０の上に固定されている基部４３の車両前方側の端を意味する。

図２における矢印Ｗは、ハイブリッド車１００が前方衝突（あるいは斜め前方衝突）したときにＰＣＵ２０が受ける衝突荷重を模式的に示している。前方からＰＣＵ２０が大きな衝突荷重Ｗを受けると、フロントブラケット１０の支持部１１とリアブラケット４０の支持部４１がともに後方に折れ曲がる。フロントブラケット１０とリアブラケット４０の剛性は、所定の大きさ以上の衝突荷重Ｗを受けると折れ曲がるだけの大きさに抑えられている。これは、フロントブラケット１０とリアブラケット４０の剛性が高すぎると、ＰＣＵ２０が受ける衝突荷重Ｗによるダメージが軽減できないからである。フロントブラケット１０とリアブラケット４０が変形することで、ＰＣＵ２０が受ける衝撃が緩和されるとともに、基部１３、４３とハウジング３０の締結部に加わる荷重も緩和される。また、図中の座標系のＨ軸と平行な軸まわりのフロントブラケット１０の曲げ剛性とリアブラケット４０の曲げ剛性は等しいことが望ましい。曲げ剛性が相違していると、前後のブラケットで荷重分担が不均一になってしまうからである。衝突荷重Ｗによるリアブラケット４０の変形については後に詳しくは説明する。

リアブラケット４０について詳しく説明する。リアブラケット４０の斜視図を図３に示す。図４に、ＰＣＵ２０とリアブラケット４０を斜め後方からみた図を示す。図４では、理解を助けるため、ＰＣＵ２０は仮想線で描いてある。図４には、リアブラケット４０を固定するハウジング３０の一部も仮想線で描いてある。リアブラケット４０は、金属板をプレス加工により成形したものである。リアブラケット４０の基部４３は、ボルト５４によってハウジング３０の上面３０ａに固定され、支持部４１の上部がボルト５３によってＰＣＵ２０の後面２０ｃに連結される。支持部４１の上部とＰＣＵ２０との間には防振ブッシュ４２が介在している。リアブラケット４０は、車幅方向に並ぶ４個のボルト５４によってハウジング３０に固定され、車幅方向に並んだ２個の別のボルト５３によってＰＣＵ２０に連結される。リアブラケット４０は、金属板（鋼板）のプレス加工で作られている。先に述べたように、フロントブラケット１０の支持部１１の上部とＰＣＵ２０との間にも防振ブッシュ１２が介在している。ＰＣＵ２０はハウジング３０との間に隙間を有して支持されているとともに、ブラケット１０、４０とＰＣＵ２０との間に防振ブッシュ１２、４２を挟むことで、ハウジング３０を介してＰＣＵ２０に伝わるモータ振動やエンジン振動が抑制される。

リアブラケット４０の支持部４１の両側に、支持部４１の縁に沿って上下方向に延びるリブ４５が設けられている。リブ４５の下部は、基部４３の縁に沿って湾曲している。ここで、「支持部４１の両側」とは、車両前方（あるいは後方）からみたときの支持部４１の両側（すなわち車幅方向の端）を意味する。リブ４５は、金属板で作られている支持部４１の強度を高めるために設けられている。ただし、先に述べたように、リアブラケット４０の全体の強度は、所定の衝突荷重で支持部４１が折れ曲がる程度の大きさに抑えられている。

基部４３には、車両前方（あるいは後方）からみて湾曲しているアーチ部４４が設けられている。アーチ部４４は、基部４３と支持部４１の境界から後方に延びるように形成されている。ただし、アーチ部４４の後端は、基部４３のハウジング３０への締結点（即ち、ボルト５４）よりも前方に位置している。図４において、直線Ｌ１が、アーチ部４４の後端の位置を示している。アーチ部４４の後端とボルト５４の位置関係は、後に図５を参照して再度説明する。アーチ部４４は、基部４３の下面とハウジング３０の上面３０ａとの間に、前後方向に貫通する空間を確保するために設けられている。

ハウジング３０の上面３０ａとアーチ部４４との間にパワーケーブル２４が通っている（図４参照）。すなわち、アーチ部４４は、ハウジング３０の上面３０ａと基部４３との間でパワーケーブル２４を車両前後方向に通すために設けられている。パワーケーブル２４は、ＰＣＵ２０の後面２０ｃに設けられたコネクタ２３から延びており、アーチ部４４の下を通っている。パワーケーブル２４の先は不図示のエアコンに接続されている。ハイブリッド車１００の場合、エアコンは走行用のモータ３を駆動する高電圧バッテリが出力する高電圧で動作する。ＰＣＵ２０には高電圧バッテリの電力が供給されており、不図示の高電圧バッテリからＰＣＵ２０とパワーケーブル２４を介して不図示のエアコンへ電力が供給される。パワーケーブル２４には高電圧の電力が流れるため、車両が衝突した際にパワーケーブル２４が損傷することは回避できることが望ましい。

フロントコンパートメントには様々な電気デバイスが高密度で搭載され、複数の電気デバイスがパワーケーブルや通信ケーブルで接続される。それゆえ、フロントコンパートメント内の様々な場所をケーブルが通り得る。場合によっては、ＰＣＵ２０を支持するリアブラケット４０の近傍を通さねばならないことも起こりうる。パワーケーブル２４がその一例である。パワーケーブル２４はアーチ部４４の下を通される。一方、リアブラケット４０の支持部４１は、前述したように、車両が前方衝突（あるいは斜め前方衝突）したときに後方に折れ曲がる。支持部４１の折れ曲がり変形にパワーケーブル２４が巻き込まれるとパワーケーブル２４に過大な負荷が加わる虞がある。場合によっては支持部４１の上方が破断する虞がある。支持部４１の破断面は鋭利であり、これにパワーケーブル２４が触れるとパワーケーブル２４がダメージを受ける虞がある。パワーケーブル２４を通すアーチ部４４は、変形又は破断した支持部４１からパワーケーブル２４を保護するために設けられている。

次に、衝突時のリアブラケットの変形と、アーチ部４４との関係を説明する。以下、図４とともに図５、図６を参照して説明を続ける。図５は、リアブラケット４０の付近の拡大側面図である。図６は、衝突荷重を受けて変形したリアブラケット４０の拡大側面図である。図５、図６において、アーチ部４４はリブ４５に隠れているので、アーチ部４４は破線で示してある。

図５に示す破線Ｌ１は、アーチ部４４の後端を示している。破線Ｌ２は、ボルト５４のボルトヘッドの前端を示している。ボルト５４は、基部４３をハウジング３０に固定する締結部に相当する。アーチ部４４の後端（破線Ｌ１）は、基部４３をハウジング３０に締結する締結部（破線Ｌ２）よりも車両前方に位置する。

アーチ部４４の前端は、基部４３と支持部４１の境界に位置しており、基部４３と支持部４１の境界の曲げ剛性を高める役割をする。そのアーチ部４４を短くすることで、基部４３と支持部４１の境界の曲げ剛性の増大を抑えることができる。その結果、ＰＣＵ２０に前方から荷重が加わったときに、即ち、リアブラケット４０の支持部４１に荷重が加わったときに、支持部４１と基部４３の境界で曲げ変形を生じさせることができる。支持部４１をＰＣＵ３０に固定しているボルト５３の位置が支持部４１に対する荷重点であるとすると、荷重点（ボルト５３）から曲げの起点（基部４３と支持部４１の境界）までの距離は、距離Ｂ１となる（図６参照）。

比較例として特許文献１（特開２０１７−０２４４６６号公報）のリアブラケット１４０の拡大側面図を図７と図８に示す。なお、リアブラケット１４０の詳細な形状は図９を参照されたい。

従来のリアブラケット１４０は、支持部１４１と基部１４３の境界にアーチ部１４４を備えている。アーチ部１４４は、基部１４３の前端から後端まで延びている。長いアーチ部１４４を備える結果、基部１４３と支持部１４１の境界の曲げ剛性が高くなる。従来のリアブラケット１４０では、支持部１４１のリブ１４５に貫通孔１４６が設けられており、貫通孔１４６の箇所で支持部１４１の強度が低くなっている。ＰＣＵ３０が前方から荷重を受けたとき、リアブラケット１４０は貫通孔１４６の位置が曲げ変形の起点となる。このときの荷重点（ボルト５３）から曲げの起点（貫通孔１４６）までの距離は、距離Ｂ２となる（図８参照）。荷重点から曲げの起点までの距離（図６の距離Ｂ１、図８の距離Ｂ２）は、従来のリアブラケット１４０の場合（距離Ｂ２）よりも今回のリアブラケット４０の場合（距離Ｂ１）の方が長くなる。

ボルト５３を荷重点とし、受ける荷重をＷ１で表し、荷重点の図中のＦ軸に平行な方向の変位量をｄＸで表し、荷重Ｗ１と変位量ｄＸの間の剛性をＫ１で表すと、Ｗ１＝Ｋ１×ｄＸ１となる。剛性Ｋ１は、荷重点から曲げ変形の起点までの距離（図６の距離Ｂ１、図７の距離Ｂ２）の三乗に比例する。即ち、曲げ変形の起点を基部４３と支持部４１の境界に生じさせることで、従来のリアブラケット１４０と比較して、荷重点（ボルト５３）における剛性Ｋ１が下がる。ＰＣＵ２０に加わる荷重Ｗはリアブラケット４０とフロントブラケット１０で分担する。リアブラケット４０の剛性Ｋ１が下がることで、ＰＣＵ２０に加わる荷重Ｗに対するフロントブラケット１０の分担率が高まり、リアブラケット４０の分担率が下がる。

実施例の搭載構造２の利点を以下にまとめる。従来のリアブラケット１４０（図９）は支持部１４１に貫通孔１４６を設けて降伏部とした。実施例の搭載構造２におけるリアブラケット４０は、基部４３と支持部４１の境界が降伏部に相当する。それゆえ、支持部のリブに貫通孔を設ける必要がない。その分、リアブラケットの製造工程が簡素化される。

図９のアーチ部１４４と比較してリアブラケット４０のアーチ部４４は短い。アーチ部４４が短い分、リアブラケット４０の材料が少なくて済み、材料費を抑えることができるとともに、重量が軽くなる。

実施例で説明した技術に関する留意点を述べる。アーチ部４４に、パワーケーブル２４を係止するクランプを設けることも好適である。アーチ部４４を通るケーブルは、パワーケーブルでなく信号ケーブルであってもよい。ＰＣＵ２０が電力制御ユニットの一例である。実施例ではハイブリッド車１００を例に本願の技術を説明した。本明細書が開示する技術は、電気自動車と燃料電池車に適用することも好適である。燃料電池車の場合、電力制御ユニットは、燃料電池が生成した電力を使って走行用のモータを駆動するデバイスである。

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。

２：搭載構造
３：モータ
４：デファレンシャルギア
６：動力分配機構
１０：フロントブラケット
１１：支持部
１２、４２：防振ブッシュ
１３、４３：基部
２０：電力制御ユニット（ＰＣＵ）
２３：コネクタ
２４：パワーケーブル
３０：ハウジング
４０：リアブラケット
４１：支持部
４４：アーチ部
４５：リブ
５１、５２、５３、５４：ボルト
９０：フロントコンパートメント
９８：エンジン
１００：ハイブリッド車

Claims (2)

1. 走行用のモータを駆動する電力制御ユニットのフロントコンパートメントへの搭載構造であり、
   前記電力制御ユニットは、その前後をフロントブラケットとリアブラケットで支持されつつ、前記モータを収容するハウジングの上方に隙間を有して固定されており、
   前記リアブラケットは、前記ハウジングに固定される基部と、前記基部の前端から前記電力制御ユニットへと延びている支持部を備えており、
   前記基部は、前記ハウジングとの間でケーブルを車両前後方向に通すアーチ部を備えており、
   前記アーチ部の車両前後方向における後端が、前記基部を前記ハウジングに締結している締結点よりも車両前方に位置している、電力制御ユニットの搭載構造。
2. 前記ケーブルは、前記モータを駆動するための電源の出力電力を伝送するパワーケーブルである、請求項１に記載の搭載構造。

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