JP2008080930A - 車載電源装置の搭載構造 - Google Patents

Abstract

【課題】ハイブリッド自動車用の動力源となる電池およびインバータ装置を経済的かつ合理的に車両に搭載するための構造を提供する。装置または部品が車両の各所に分散配置されることがなく、保守者または運転者にとって点検作業がしやすく、分かりやすい実装構造を提供する。とくにその端子電圧が人体が触れると危険である重量のある電池について、合理的な防護構造および放熱構造を設けて車両に搭載するための形態を提供することを目的とする。
【解決手段】車両のフレーム側部に二段構造に設けた棚に実装する。電池は上方からアクセスする必要性を配慮して上段に配置し、インバータはかりに一部の部品を交換する可能性があるとしても、それぞれの部品は電池より軽量であるから下段に配置する。車両の側方からアクセスすることが可能なフレーム位置に取り付ける。
【選択図】図１

Description

本発明は、ハイブリッド自動車に搭載される動力用電池、この電池と電動発電機との間に電気エネルギを双方向に変換伝達するインバータ、その他関連する電気装置を車両に搭載するための構造に関する。本発明は、ハイブリッド車両に特有の電気装置を車両に搭載する構造の改良に関する。本発明は、主に出願人が製造する商用車両に適用するために発明されたものであるが、商用車両に限らず、走行動力用の電池を車両に搭載するハイブリッド自動車に広く実施することができる。本発明は、ハイブリッド自動車に搭載される電気装置を冷却するとともに、その電気装置を保守点検する作業が必要になる場合に、その作業を安全にかつ簡便に行うことができるように配慮した搭載構造に関する。

近年燃料の価格が高騰し、燃料を効率的に利用することができるハイブリッド自動車に大きい期待が寄せられている。本願出願人は長らく、ハイブリッド自動車の貨物車両やバスなどの商用車両への適用を研究し、これまでに戸別配達用として適する車両その他について実用的なハイブリッド車両を提供してきた。一方、ハイブリッド自動車に搭載して利用できる電池の形態として、ニッケル水素電池が利用されるようになるなど、電池の小型化が進んでいる。このような小型の電池は、電池の単位容積あたりに蓄積されるエネルギ密度が大きくなることから、放熱構造、安全構造その他に改良が続けられている。

ハイブリッド自動車の電池の搭載構造および冷却装置の従来例構造について、関連のある技術として下記［特許文献］に記載のものが知られている。

特開２００２−２０９３０７（日野自動車） 特開２００５−１３８７９２（日野自動車） 特開２００５−２６２０１（現代自動車） 特開２００５−２４７１６８（三菱ふそう） 特許第３２８６６３４（日野自動車） 特許第３２８６６５４（第一興商）

ハイブリッド自動車に搭載する電池は、その端子電圧は相応に高く（例、１５０〜３００Ｖ）、保守者が電源装置にアクセスする場合にも、人体がその端子に誤って触れることがないように、全体を絶縁状態に形成された機械的に堅固な電池収納箱に収容しなければならない。またハイブリッド自動車には、電池につづいて重量のある装置としてインバータが搭載される。インバータは、車両の加速時に電池の直流出力電流を電動機を駆動するための多相交流に変換し、車両の制動時に発電機から発生する多相交流を電池の充電に適する直流電流に変換する装置である。一般にインバータは、内部に複数の半導体スイッチ回路および巻線部品を含み、その交流側の端子電圧も相応に高電圧であり、その端子に人体が触れると危険である。しかしインバータには機械的には静的な装置であり可動部分がない。したがって、堅固な絶縁材料を利用した収容構造を設計することが必要である。

さらに現今の設計では、ハイブリッド自動車に搭載される電池およびインバータは、相応に高い信頼性を有する設計になっているものの、車両の全寿命期間にわたり無保守で利用することができるようにはなっていない。すなわち車両の修理工場あるいは整備工場で、電池およびインバータについて、その実装構造は作業者がアクセスして必要な保守作業を行うことができる形態としなければならない。このような課題のうえにさらに、電池もインバータも高密度の実装を実現し、高い効率で作動させるために、車両の運行中は装置を所定の温度範囲に維持できるように、放熱または冷却のための手段が必要である。

いっぽう人体に対する安全のために過度の防護手段を設けることは、車両重量を増大させるとともに、価格も高価になり、保守作業の工数を大きくすることになるから適当ではない。すなわち保守作業が安全に実施することができるとともに、車両の通常に発生する振動に対して全寿命期間にわたり、防護構造が破損したり、絶縁特性が劣化して漏電が発生するようなことは回避されなければならない。

本発明は、ハイブリッド自動車用の動力源となる電池およびインバータ装置を経済的かつ合理的に車両に搭載するための構造を提供することを目的とする。本発明は、装置または部品が車両の各所に分散配置されることがなく、保守者または運転者にとって点検作業がしやすく、分かりやすい実装構造を提供することを目的とする。とくにその端子電圧が人体が触れると危険である重量のある電池について、合理的な防護構造および放熱構造を設けて車両に搭載するための形態を提供することを目的とする。さらに本発明は運用開始後も、車両の整備に伴い相応に安全に保守作業ができる形態の実装構造を提供することを目的とする。本発明は、車両の走行中に冷却気流に混入する雨水、あるいは路面からはね上げられる異物に対して、簡単であり有効な防護手段を設けた実装構造を提供することを目的とする。

さらに本発明の課題は、車載電池の冷却風を吸気形ではなく送気形として設計することに関連する。すなわち、電池まわりの空間から空気を吸引するのではなく、電池を冷却するために風を電池収納箱に送り込む形態が採用されると、電池まわりの気圧が大気圧より高くなることにより、吸気口が実質的に一箇所に集中されることになる。このために生じる新たな課題を解決することを目的とする。この新たに生じる課題の主要なものは、冷却ファンの吸気通路で空気流から異物および水滴を除去するための構造である。

本発明は、制動により発生する電気エネルギにより充電され加速に必要な電気エネルギを供給する電池と、その電池の端子電流である直流電流と電動発電機の端子電流である交流電流とを双方向に変換するインバータと、そのインバータの制御回路とを含むハイブリッド自動車の車載電源装置の搭載構造において、前記電池を電池収納箱に収納するとともにその電池を冷却風によって冷却する冷却系を設けた構成とし、車両フレームの側方に、その長手方向に沿って車両の側方から人がアクセスできる位置に、上下２段の細長い搭載棚がその長辺が車両の前後方向になるように設けられ、前記電池収納箱およびその冷却系がその搭載棚の上段に、前記インバータおよび前記制御回路の少なくとも主要部がその搭載棚の下段にそれぞれ搭載されたことを特徴とする。

すなわち請求項１記載の発明は、車両フレームの側方に、上下２段の細長い搭載棚をその長手方向が車両の長手方向になるように取付け、その上段に電池を搭載し、下段にインバータを搭載する構造とするものである。これは保守作業に際して、電池およびインバータその他に対して、車両の側方からアクセスしやすい状態を考慮したものである。電池は上方からアクセスする必要性を配慮して上段に配置し、インバータはかりに一部の部品を交換する可能性があるとしても、それぞれの部品は電池より軽量であるから、側方からアクセスすることが可能であるとの理由による。電池を上段に配置することにより、電池をそっくり交換する必要が生じたときにも、他の周辺部品をあらかじめ取り外し、交換後にこれらの周辺部品をふたたび取り付ける、などの作業の必要がほとんどなくなる。

請求項２記載の発明は、前記冷却系の気流を発生する電動ファンおよびその冷却気流を前記電池収納箱の内部に導入する気流通路は、これを前記細長い搭載棚の長手方向に沿う折り返し構造に形成して、その気流通路を実質的に長く形成し、この気流通路の中で吸気中の重量のある異物および水滴を除去する構造としたものである。これにより冷却気流を電池周囲に送り込む電動ファンに異物が絡まるなどの障害が少なくなり、その故障率を低減するとともに、電動ファンの吸い込み口に設ける異物除去用のフィルタを保護し、その交換周期を長くすることができる。

請求項３記載の発明は、前記折り返し構造の気流通路は上下の階層構造に形成され、その下層通路が気流の上流側であり、その上層通路が気流の下流側であり、その上層通路の断面積が下層通路の断面積より大きく形成された構造とするものである。これにより、大きい混入物は風速の大きい下層階で除去され、小さい混入物は風速の小さい上層階で除去されることになり、混入物を段階的にかつ合理的に除去することができる。

請求項４記載の発明は、前記折り返し構造の通路について、気流の方向が登り坂に沿って流れるように、前記上層および下層ともにそれぞれ長手方向および幅方向に、気流中から脱落した異物がその通路の内部を気流に逆らってころがる程度の勾配を設けて取付けられたことを特徴とする。この勾配は１〜１．５度程度の小さい勾配でよい。この構造により、気流通路の内部に気流とともに吸い込まれた異物が通路底部に離脱し、その通路底部の勾配に沿ってころがり吸気口付近から排出される。

請求項５記載の発明は、冷却系の気流を発生する電動ファンを設け、この電動ファンの電源回路には、間欠的にその回転を停止または減速させるスイッチ回路を設けるものである。スイッチ回路はタイマ回路とすることができる。この構成により、気流通路内の風速を変動させて通路内に滞る水または異物を前記勾配にしたがって、気流入口の方向に排出させることができる。

請求項６記載の発明は、前記間欠的に電動ファンの回転を停止または減速させるスイッチ回路は、その車両のワイパー装置の作動と連動させる手段を含むものである。このワイパー装置の作動と連動することは、必ずしもオン・オフに連動するとは限らない。ワイパー装置のオン・オフにしたがって、あるいはワイパー装置の速度調節にしたがって、電動ファンの回転速度を変化させることができる。この構成により、電動ファンにより駆動される気流に変化が生じて、気流により運ばれている異物が通風路底部に脱落する可能性を高くすることができる。

請求項７記載の発明は、前記電池を搭載する棚の下段には、前記電池から得られる電流を交流電流に変換しまたは交流電流を直流電流に変換して前記電池に供給するインバータ、このインバータを制御する制御回路（ＥＣＵ）、および前記インバータを冷却する放熱手段を搭載する構造とするものである。この構造は、インバータ、その制御回路、インバータの放熱手段などは、個別の保守作業をする必要がほとんどないことから、棚の下段に搭載する構造とするものである。

本発明は、前記電池収納箱の内部に流通する冷却気流を発生させる電動ファン（ブロワ）をその電池収納箱の空気入口に設ける構造とする発明と関連し、電動ファンの作動中は電池収納箱内部の電池周囲の冷却気流が大気圧より高い気圧に維持され、何らかの原因により電池収納箱に小さいすき間が生じることがあっても、このすき間から大気中の異物を電池収納箱の内部に吸い込むことはなくなる。

本発明により、とくにトラック（あるいはバス）などの商用車両について、その側部フレームにハイブリッド用の電源装置を安全に搭載し、その実装形態を合理化することができるとともに、その冷却および放熱が有効に行われることになり、その保守作業も安全にかつ合理的に行うことができる。

（実施例）
図１は、本発明実施例の電池搭載構造を説明する部分分解斜視図である。これはハイブリッド自動車に搭載され、その制動により発生した電力を蓄積するとともに、駆動動力用の電力を供給する電池の実装形態を説明する図である。この実施例では、ハイブリッド自動車は主として宅配便などに利用される中型の貨物車両である。ハイブリッド動力用の電池はパッケージ化されて電池パッケージ１に収容されている。この電池パッケージ１は密閉構造である。この電池はちなみに端子電圧２８８Ｖ、最大充電容量６．５Ａｈである。この電池パッケージ１は細長い直方体の形状であり、鋼鉄製の電池収容棚２に載置される。そしてこの電池パッケージ１は、その背面および底面から図示されていないビスにより、この電池収容棚２に固定される。なおここに表された電池パッケージ１は当該車両に必要な数の電池をセル化して一体とし、各セル容器の外側に設けられた箱であり、電池セルの間に空間が設けられ、その間を冷却気流が流れる構造となっている。

そしてこの電池収容棚２は鋼鉄製の腕鋼材（クロス・アーム）３により、一点鎖線により表示する貨物車両のフレーム４の表面に、その側面からこれも図示しないボルトおよびナットにより取り付けられる。電池パッケージ１の前面には空気ダクト５が設けられる。この空気ダクト５の一端に設けた吸気口１１は大気に開口し、この空気ダクト５の他端は、電動のファン１０のインレット側に連結される。この構造については後からさらに詳しく説明する。そしてこの電池収容棚２には、その断面がL字形状に形成された一枚の鋼鉄製カバー６が被せられる。

ここでこの実施例装置は、電池パッケージ１の内部に冷却用空気を送り込むように構成して、電池収納ケース内部の空気圧を大気圧より高く維持するように構成されている。すなわち従来例装置のように電池収納ケースの空気出口にファンを設けて、電池収納ケースの内部気圧を吸引するのではなく、冷却用空気の入り口に電動ファンを設けて、電池収納ケース内部の気圧を増圧状態に維持するところにその特徴がある。

図２はこの冷却空気の流れを説明するための図である。すなわち図２に示すように、充放電により発熱する電池を冷却するために、電池パッケージ１の内部に冷却風を送り込むように構成する。本発明の装置では、その冷却用空気の送り込み口に電動ファン１０を配置して、ハイブリッド動力装置が作動中には、電池収納ケースの内部空気圧が大気圧より高くなるように電池の冷却気流を供給する。車両側方に設けられた吸気口１１から取込まれた空気流は、空気ダクト５を経由して、電動ファン１０により加圧されて電池パッケージ１の内部に送り込まれる。そして電池パッケージ１の内部を通過して温度が高くなった気流は、ラジエータ１３を経由しラジエータ排気口９から、車両の下方に向けて大気に排出される。

さらに具体的には、この実施例装置の構成では吸気口１１から外気を取込み、これを電動ファン１０の空気入口に供給するための空気ダクト５を二階構造とした。そして図２に太い破線で示すように、空気流は下層階を図の右手から左方に通過させ、上層階に折り返してさらに図の左手から右方に通過させて、電動ファン１０のインレット側に導くように構成した。この構造により、吸気口１１から吸入する空気に何らかの異物、とくに小石など質量のある異物が混入していても、この折り返し構造の空気ダクトの内部を通過中に、その異物は重力により脱落するように配慮したものである。そしてこの空気ダクトは気流の上流側が低く、下流側が高くなるように勾配が設けられていて、空気流から脱落した異物がその勾配にしたがって図の右方に転がるように配慮されている。吸気口１１に至る通路にも転がった異物が吸気口１１から外部に落下するように傾斜が設けてある。

図３に空気ダクトの断面構造図を示す。この折り返し二階構造に形成された空気ダクトは、その気流に垂直な断面積が、二階の方が一階より大きくなるように形成されている。これにより、二階の風速が一階の風速より小さくなるから、質量の大きい異物は一階で脱落し、質量の比較的小さい異物は二階で脱落することになる。空気ダクト５の底部に脱落した異物は、空気ダクト５に設けられた傾斜構造に沿って空気流に逆行して転がり吸気口１１から外部に排出される。この装置の試運転の結果から、比重の大きい異物はほとんど空気ダクト５の内部でその底部に脱落し、車両の振動に応じてこの空気ダクト５の傾斜に沿って逆行することが確かめられた。

なお特殊な形状の異物であって転がりにくい異物については、これを排除するために、電動ファン１０の回転を間欠的に停止させるように構成することが効果的であることがわかった。すなわち、電動ファン１０の作動中にタイマ装置その他により、この電動ファンの動作を間欠的に停止させる構成とすることができる。

図１に戻って、この電池収容棚２の下段の棚７には、ラジエータ１３、インバータ１４、電子制御回路の収納箱１５、その他の装置が収容される。この下段の棚７も、同様に車体フレーム４に取り付けられ、その周囲は覆い８により覆われる。

ハイブリッド自動車の電池収容構造について説明したが、車両に電池を搭載し、この電池を強制空冷する構造について広く本発明を実施することができる。

本発明実施例装置の一部分解斜視図。 本発明実施例装置における冷却用空気の流れを説明する図。 階層構造をなす空気ダクトの断面構造図。

符号の説明

１ 電池パッケージ
２ 電池収容棚
３ 腕鋼材（クロス・アーム）
４ 車両のフレーム
５ 空気ダクト
６ カバー
７ 下段の棚
８ 覆い
９ ラジエータ排気口
１０ 電動ファン
１１ 吸気口
１２ 吸気口
１３ ラジエータ
１４ インバータ
１５ 電子制御回路の収納箱

Claims (7)

1. 車両に搭載され、その車両の電気的制動により発生する電流により充電されその車両の電気的加速に必要な電流を供給するための電池と、その電池の端子電流である直流電流と電動発電機の端子電流である交流電流とを双方向に変換し結合するインバータと、そのインバータの制御回路とを含み、前記電池を電池収納箱に収納するとともにその電池を冷却風により冷却する冷却系を設けたハイブリッド自動車の車載電源装置の搭載構造において、
   車両フレームにその長手方向に沿って、車両の側方から人がアクセスできる位置に、上下２段の細長い搭載棚をその長辺が車両の前後方向になるように設け、その搭載棚の上段に前記電池収納箱およびその冷却系が、その搭載棚の下段に前記インバータおよび前記制御回路の少なくとも主要部がそれぞれ搭載されたことを特徴とする車載電源装置の搭載構造。
2. 前記電池収納箱の内部に前記冷却風を導入する気流通路は、前記細長い搭載棚の長手方向に沿う折り返し構造に形成された請求項１記載の車載電源装置の搭載構造。
3. 前記折り返し構造に形成された気流通路は上下の階層構造に形成され、その下層通路が気流の上流側であり、その上層通路が気流の下流側であり、その上層通路の断面積が下層通路の断面積より大きく形成された請求項２記載の車載電源装置の搭載構造。
4. 前記折り返し構造の通路は、気流の方向が登り坂に沿って流れるように前記上層および下層ともにそれぞれ長手方向に勾配を設けて取付けられた請求項３記載の車載電源装置の搭載構造。
5. 前記電池収納箱内部に冷却空気流を送り込む電動ファンが設けられ、この電動ファンの電源回路には、間欠的にその回転を停止または減速させるスイッチ回路を設けた請求項３記載の車載電源装置の搭載構造。
6. 前記間欠的にその回転を停止または減速させるスイッチ回路は、その車両のワイパー装置の作動と連動させる手段を含む請求項５記載の車載電源装置の搭載構造。
7. 前記下段には、前記電池から得られる電流を交流電流に変換しまたは交流電流を直流電流に変換して前記電池に供給するインバータと、このインバータを制御する制御回路と、前記インバータを冷却する放熱手段とが搭載された請求項１記載の車載電源装置の搭載構造。

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