JP6844514B2 - 電源ユニットとその製造方法 - Google Patents

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Description

本明細書が開示する技術は、燃料電池セルまたはバッテリと電子部品を備えている電源ユニットとその製造方法に関する。
燃料電池セルまたはバッテリと電子部品を一つのケース、あるいは、連結した複数のケースに収容した電源ユニットが知られている。特許文献1−4には、電源として燃料電池セルを備えた電源ユニットの例が開示されている。特許文献1は、燃料電池セルを収容したロアケースと、ロアケースの上に連結されており電子部品を収容したアッパーケースを備える燃料電池ユニットを開示している。電子部品のいくつかは、アッパーケースの天板の裏に取り付けられている。
特開2017−152286号公報 国際公開WO2012/150629号 特開2009−190438号公報 特開2007−207582号公報
特許文献1に開示されているような連結ケースの電源ユニットを組み立てるには、次の工程を経る。まず、アッパーケースを、天板を下にして開口部を上にした姿勢で保持し、天板の裏側に電子部品が取り付けられる。その後、アッパーケースを180度回転させる。そして、アッパーケースを、電源が収容されているロアケースに連結する。アッパーケースの回転に伴って、アッパーケース内の塵埃や異物が移動する。天板の裏側に取り付ける部品が、電子部品が実装された基板である場合、アッパーケースを回転させるときに、露出している電子部品に塵埃や異物が付着するおそれがある。アッパーケースの天板の裏側に基板が取り付けられている電源ユニットにおいて、製造の際、基板への塵埃や異物の付着を抑える技術を提供する。
本明細書が開示する電源ユニットは、ロアケースとアッパーケースを備えている。ロアケースには、燃料電池セルまたはバッテリが収容されている。アッパーケースは、開口部がロアケースの内側と連結しているとともに、内側に電子部品を搭載した基板が取り付けられている。アッパーケースの側板と基板の間に、アッパーケースの天板から延びる壁が設けられている。この電源ユニットは、アッパーケースを回転させるときに基板を塵埃や異物から保護する壁を備えているので、製造工程においてアッパーケースを回転させる際、塵埃や異物が基板に付着し難い。
上記した電源ユニットを製造するには、組付工程と反転工程と連結工程を備えているとよい。組付工程では、アッパーケースを、その内側を上にした姿勢に保持し、アッパーケースの内側に基板を取り付ける。反転工程では、壁が基板の上に位置する状態を経て、アッパーケースの上下を反転させる。連結工程では、開口部が下を向いたアッパーケースをロアケースに連結する。上記した反転工程のようにアッパーケースを反転させると、反転中に基板よりも上側に存在する塵埃や異物が基板に向かって落下する。しかし塵埃や異物は壁に遮られ、基板に付着することが防止される。
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。
実施例の燃料電池ユニットのアッパーケースにおける部品レイアウトを示す斜視図である。 図1のII−II線に沿った断面図である。 アッパーケースを開口部側からみた平面図である。 燃料電池ユニットの断面図である。 燃料電池ユニットの製造方法を説明する図である(1)。 燃料電池ユニットの製造方法を説明する図である(2)。 燃料電池ユニットの製造方法を説明する図である(3)。 燃料電池ユニットの製造方法を説明する図である(4)。 変形例のアッパーケースにおける部品レイアウトを示す斜視図である。 図9のX−X線に沿った断面図である。
図面を参照して実施例の電源ユニットを説明する。実施例の電源ユニットは、電源として燃料電池セルを備える燃料電池ユニット2である。実施例の燃料電池ユニット2は、走行用モータの電源として用いられ、自動車に搭載される。燃料電池ユニット2のケースは、アッパーケース10とロアケース30に分割されている。ロアケース30には複数の燃料電池セルの積層体が収容され、アッパーケース10には種々の電気部品が収容される。
図1に、アッパーケース10の斜視図を示す。図2に、図1のII−II線に沿った断面図を示し、図3に、開口部側から見たアッパーケース10の平面図を示す。図4に燃料電池ユニット2の断面図を示す。図1は、アッパーケース10を逆さまにした斜視図であることに留意されたい。即ち、図1において底板のように見える板は、燃料電池ユニット2で最も上に位置する天板101である。図中の座標系は、グローバル座標系(即ち、アッパーケース10に固定されていない座標系)を示しており、+Z方向が「上」を示す。図2も、アッパーケース10を逆さにした状態の断面図である。図3では、説明のため、積層ユニット12(後述)は図示を省略してあり、その下の基板14が描かれている。図1において積層ユニット12の手前側、及び、図3において積層ユニット12の下側にも別の電気部品が収容されている。しかし本実施例では、積層ユニット12と基板13、14のレイアウトを理解し易くするため、別の電気部品の図示は省略してある。
燃料電池ユニット2の製造方法については後に説明するが、アッパーケース10は、その内側を上にした状態で保持され、様々な部品が取り付けられる。その後、太矢印線Aが示すように、アッパーケース10を180度反転させ、アッパーケース10がロアケース(不図示)に連結される。図4は、ロアケース30にアッパーケース10が連結された燃料電池ユニット2の断面図を示しており、アッパーケース10は、天板101が上側に位置しており、開口部109がロアケース30に対向している。アッパーケース10の側面には、アッパーケース10を回転させる治具を取り付ける孔(治具孔108)が設けられている。
アッパーケース10における部品レイアウトを説明する。アッパーケース10に収容される電気部品は、燃料電池セルの出力電圧を昇圧する昇圧コンバータ回路を構成する。昇圧コンバータ回路は、チョッパタイプであり、いくつかのスイッチング素子とリアクトル15を主たる部品とする。燃料電池セルの出力は大きく変動するため、燃料電池ユニット2は、多相コンバータを備えている。それゆえ、燃料電池ユニット2は、多相コンバータの夫々の相に対応した複数のリアクトル15を備えている。
多相コンバータの主要部品であるスイッチング素子は、カードタイプの複数のパワーモジュール122に分散されている。複数のパワーモジュール122は、カードタイプの複数の冷却器121と1個ずつ交互に積層され、積層ユニット12を構成する。なお、図1の斜視図では、最も手前のパワーモジュール122と冷却器121のみに符号を付し、残りのパワーモジュールと冷却器には符号を省略した。隣接する冷却器121は連結管で接続される。また、図示は省略しているが、積層ユニット12の複数の冷却器121は、燃料電池ユニット2の外部のラジエータと循環路で接続されている。複数の冷却器121とラジエータの間を冷媒が循環し、パワーモジュール122が冷却される。積層ユニット12は、フレーム(不図示)に固定され、そのフレームがアッパーケース10に固定される。図ではフレームの図示は省略した。
先に述べたように、アッパーケース10には、複数のリアクトル15が収容されている。アッパーケース10の天板101の一部に冷媒流路105が形成されており(図2参照)、複数のリアクトル15は、冷媒流路105と対向するように天板101の裏側に取り付けられている。それぞれのリアクトル15には、温度センサ151が取り付けられている。温度センサ151の信号ケーブル152は、アッパーケース10のリアクトル15に近い側板102に、クランパ153を介して留められている。それぞれのリアクトル15の温度センサ151から延びる信号ケーブル152は、メインケーブル154に合流する。図3の平面図では、メインケーブル154は途中から図示を省略した。また、図1と図3では、リアクトル15に付随する一部の部品に対する符号を省略した。
夫々のリアクトル15のコイル(不図示)にはバスバ161が接続されている。バスバ161の他端は、端子台16に固定される。なお、図1と図3では、一部のバスバに対する符号を省略した。夫々のリアクトル15に接続されているバスバ161は、端子台16にて、積層ユニット12のパワーモジュール122のパワー端子122a、122bと接続される。図では、パワーモジュール122の端子122a、122bとバスバ161をつなぐ別のバスバは図示を省略した。
積層ユニット12と天板101の間に、基板13、14が配置されている。基板13、14は天板101の裏側に取り付けられている。基板14には、パワーモジュール122から延びる複数の信号端子124が接続されている。信号端子124は、パワーモジュール122の内部に収容されたスイッチング素子のゲートと導通しているゲート端子や、スイッチング素子の温度を計測する温度センサのセンサ端子などである。基板13、14には、パワーモジュール122に収容されているスイッチング素子のための駆動回路を実現する様々な電子部品131、141等が実装されている。
基板13、14には、様々な電子部品131、141等が実装されている。電子部品131、141等が実装されている基板13、14は、塵埃や異物の付着が不具合の原因になるおそれがある。一方、先に述べたように、燃料電池ユニット2の製造工程では、開口部109を上側にしてアッパーケース10を保持して部品(基板13、14を含む)を取り付けた後、アッパーケース10を180度反転させる。アッパーケース10を反転させる際、アッパーケース10の内側の塵埃や異物が移動し、基板13、14に付着するおそれがある。それゆえ、実施例の燃料電池ユニット2では、アッパーケース10を反転させる際、塵埃や異物が基板13、14に付着することを防止する壁9が設けられている。以下では、説明を簡単にするため、「塵埃や異物」を「塵埃」と表記する。典型的な塵埃は、製造過程でアッパーケース10の内側に付着する埃などである。
アッパーケース10の天板101の裏面に壁9が設けられている。壁9は、基板13、14に沿って延びている。アッパーケース10の製造方法は後述するが、上下が逆さまのアッパーケース10は、壁9の延設方向と平行に延びる回転軸線(図1における一点鎖線CL)の回りに180度反転される。図1の太矢印線Aが回転の方向を示している。アッパーケース10は、壁9が基板13、14の上に位置する状態を経て反転させられる。
壁9の天板裏面からの高さは、基板13、14の天板裏面からの高さよりも高い(図2参照)。壁9の長さは、基板13、14よりも長い(図3参照)。壁9は、壁9の基板13、14とは反対側からみたときに、基板13、14が隠れるサイズを有している。
壁9は、アッパーケース10の一部である。アッパーケース10は、アルミニウムの射出成形で作られる。壁9は、射出成形でアッパーケース10の製造時に同時に形成される。
壁9は、アッパーケース10を反転させるときの回転軸線CLに対して平行に延びている。逆さまのアッパーケース10を180度反転させるとき、壁9の延設方向(図中のX軸方向)に平行な回転軸線CLの回りに、壁9が基板13、14の上側を通るようにアッパーケース10を回転させる。そうすると、回転の途中、基板13、14よりも上側に存在する塵埃は落下するが、壁9に遮られて基板13、14には付着しない。回転の際に(反転の際に)基板13、14よりも下側に存在する塵埃は、基板13、14から離れる方向に移動するのでやはり基板13、14には付着しない。壁9は、逆さまのアッパーケース10を反転させるときに基板13、14よりも上側に存在する塵埃が基板13、14の上に落下するのを防止する。
図4を参照して、ロアケース30の内部の部品レイアウトと、ロアケース30とアッパーケース10の連結について説明する。ロアケース30には、複数の燃料電池セルの積層体40が収容されている。図4では、積層体40の断面に一様なハッチングを施し、積層体40の内部構造は図示を省略した。アッパーケース10は、開口部109をロアケース30の側に向けて、ロアケース30の上部に連結されている。アッパーケース10の開口部109の周囲にはフランジ104が形成されている。アッパーケース10は、フランジ104をロアケース30の開口部のフランジ301に対向させてロアケース30の上に置かれる。アッパーケース10とロアケース30は、両方のフランジが複数のボルト302で締結される。
燃料電池セルの積層体40の上部にセルモニタユニット41が取り付けられている。セルモニタユニット41は、燃料電池セルの電圧をモニタするデバイスである。セルモニタユニット41の上部は、アッパーケース10の内側へと延びており、側板103と壁9の間にその一部が入り込んでいる。図4では、積層体40とセルモニタユニット41を模式化して描いてあり、夫々から延びる信号線は図示を省略している。
図5から図8を参照して燃料電池ユニット2の製造方法を説明する。
(組付工程)まず、アッパーケース10を、天板101を下にして、内側を上に向けて保持し、基板13、14、その他の部品をアッパーケース10に組み付ける(図5参照)。図5では、リアクトル15は既に取り付けてある。温度センサ151から延びる信号ケーブル152も、クランパ153で側板102に留められている。リアクトル15から延びるバスバ161は、端子台16に固定されている。バスバ161は、端子台16にて、パワーモジュール122のパワー端子122a、122bと別のバスバにて接続されるが、別のバスバは図示を省略してある。
天板101の裏側に第1スペーサ132を介して基板13を固定し、基板13の上に、第2スペーサ133を介して基板14を固定する。基板13には、既に複数の電気素子131が実装されており、基板14には複数の電子部品141が既に実装されている。基板13、14は、壁9と端子台16の間で天板101の裏側に固定される。なお、端子台16は、天板101の裏側に固定されている。端子台16と天板101の間には隙間が無い。
アッパーケース10の側板103と壁9の間に塵埃90が付着していた場合、次に説明するように、アッパーケース10を反転させる際、壁9が、塵埃90の基板13、14への付着を防止する。
(反転工程)図6は、部品が組み付けられたアッパーケース10の断面図である。図6は、アッパーケース10が上下逆さまで保持された状態である。回転工程では、上下逆さまのアッパーケース10を180度反転させる。図1に示したように、回転軸線CLは、X軸に平行な方向に延びている。別言すれば、回転軸線CLは、壁9の延設方向と平行な方向である。図6の太矢印線Bが回転の方向を示している。
図7に、アッパーケース10の反転途中の図を示す。図7は、アッパーケース10を90度回転させた状態を示している。アッパーケース10は、壁9が、基板13、14の上方を通過するように回転させられる。アッパーケース10が90度回転すると、壁9は基板13、14の直上に位置する。塵埃90が鉛直下方(−Z方向)に落下してきた場合、塵埃90は、壁9に遮られて基板13、14には到達しない。すなわち、回転の際、壁9が、基板13、14への塵埃の付着を妨げる。
なお、回転の際、基板13、14よりも下方に存在する塵埃は、回転によって基板13、14から離れる方向に移動するので、基板13、14には付着しない。基板13、14よりも下方に存在する塵埃が舞い上がった場合でも、基板13、14に沿って延びている端子台16が壁の役割を果たし、塵埃の基板13、14への付着を妨げる。
図7の状態からアッパーケース10をさらに90度回転させる。図7の太矢印線Cが、回転の方向を示している。即ち、反転工程では、アッパーケース10を、壁9が基板13、14の上方に位置する状態(図7の状態)を経て、上下を反転させる。
(連結工程)図8に、反転させたアッパーケース10とロアケース30の断面図を示す。アッパーケース10を反転させると、開口部109が下を向く。開口部109が下を向いたアッパーケース10をロアケース30の上に配置し、アッパーケース10のフランジ104のフランジ面と、ロアケース30のフランジ301のフランジ面を合わせ、両者をボルト302で固定する。こうして、燃料電池ユニット2が完成する。
図9と図10を参照して変形例のアッパーケース10aを説明する。図9は、変形例のアッパーケース10aにおける部品レイアウトを示す斜視図である。図10は、図9のX−X線に沿った断面図である。図9、図10も、アッパーケース10aを逆さまにした図である。
変形例のアッパーケース10aでは、壁19aは、樹脂製のシート状部材で作られている。壁19aは、天板101aの裏面に対向する天板対向部19bと、天板対向部19bの縁からほぼ直角に屈曲している防塵部19aと、天板対向部19bと防塵部19aの夫々とほぼ直角に交わっている後面部19cを備えている。防塵部19aは、基板13、14と側板103の間に位置しており、天板101aから側板103とほぼ平行に延びている。天板対向部19bは、天板101aと基板13、14との間に位置している。アッパーケース10aも、燃料電池ユニット2の組み立ての際、天板101aを下に、開口部109を上にした状態で保持され、基板13、14などの部品が天板101aの裏側に組み付けられる。壁19も同時に取り付けられる。次いで、アッパーケース10aは、壁19が基板13、14の上に位置する状態を経て、上下が反転させられる。図10の太矢印線Dが回転の方向を示している。反転の途中、壁19と側板103との間の塵埃90は、落下の際に壁19に遮られて基板13、14に付着することがない。壁19を備えるアッパーケース10aも、アッパーケース10と同じ作用効果を奏する。
実施例で説明した技術の特徴をまとめると以下の通りである。燃料電池ユニット2は、ロアケース30とアッパ−ケース10(10a)を備えている。ロアケース30には、複数の燃料電池セルの積層体40が収容されている。アッパーケース10(10a)は、開口部109がロアケース30の内側と連結するように、ロアケース30の上方に連結されている。アッパーケース10(10a)の天板101の裏側に基板13、14が取り付けられている。基板13、14には、電子部品131、141が実装されており、塵埃の付着は異常の原因となり得る。アッパーケース10の天板101の裏側に、基板13、14に沿うように壁9(壁19)が設けられている。壁は、アッパーケース10と一体であってもよいし(壁9)、樹脂製のシート状部材で作られていても良い(壁19)。アッパーケース10(10a)は、その内側を上にした状態で、基板13、14などの部品が取り付けられる。アッパーケース10(10a)は、ロアケース30に連結するために、180度反転させられる。壁9(壁19)は、アッパーケース10(10a)を反転させるときの軸線(図1の軸線CL)と平行に延びている。アッパーケース10(10a)は、壁9(壁19)が基板13、14の上に位置する状態を経て反転させられる。反転の際に基板13、14よりも上側に存在した塵埃は、落下の際に壁9(壁19)によって遮られ、基板13、14への付着が防止される。
実施例で説明した技術のそのほかの特徴を説明する。アッパーケース10(10a)の内部で、基板13、14に対して壁9(壁19)とは反対側にリアクトル15が配置されている。アッパーケース10(10a)を反転させる際、リアクトル15は、基板13、14の下側を通る。リアクトル15に付着していた異物が落下する場合は基板13、14から離れる方向に移動する。即ち、リアクトル15に付着していた異物は反転の際に基板13、14へは付着しない。
基板13、14とリアクトル15の間で、天板101に、リアクトル15から延びるバスバ161(導体)が接続される端子台16が取り付けられている。端子台16は、基板13、14に沿って、延びている。また、端子台16は、アッパーケース10(10a)を反転させるときの回転軸に平行に延びている。端子台16と天板101の間に隙間は無い。端子台16は、壁9(壁19)とは反対側で、基板13、14を保護する壁の役割を果たす。回転の際、基板13、14の下側に存在する塵埃が舞い上がっても、端子台16が塵埃を遮り、基板13、14への塵埃の付着が防止される。
アッパーケース10(10a)の側板102に、リアクトル15から延びる電気ケーブル(信号ケーブル152)が留められている。リアクトル15は発熱量が大きい。電気ケーブル(信号ケーブル152)がリアクトル15の側方の側板102に留められていることで、リアクトル15の発熱に起因する電気ケーブル(信号ケーブル152)の温度上昇が抑えられる。
樹脂製のシート状部材で作られている壁19はアッパーケース10と一体に作られている壁9よりも軽いので、樹脂製のシート状部材を採用することで燃料電池ユニットの軽量化が図れる。
燃料電池ユニット2は、ロアケース30に積層体40が収容されており、アッパーケース10に様々な電気部品が収容されている。燃料電池ユニット2は、アッパーケース10とロアケース30を仕切る中板を備えない。中板を備えないので、燃料電池ユニット2は、高さを低くできる。
実施例で説明した技術に関する留意点を述べる。実施例のアッパーケース10(10a)に収容される部品は、主に昇圧コンバータ回路を構成する電子部品であり、基板13、14は、その昇圧コンバータの駆動回路を構成する電子部品が実装されている。基板13、14に実装される電子部品はどのような部品であってもよい。
実施例の電源ユニットは燃料電池セルを備えた燃料電池ユニットである。本明細書が開示する技術は、燃料電池セルの代わりにバッテリを収容した電源システムに適用してもよい。
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:燃料電池ユニット(電源ユニット)
9、19:壁
10、10a:アッパーケース
12:積層ユニット
13、14:基板
15:リアクトル
16:端子台
30:ロアケース
40:積層体
41:セルモニタユニット
101、101a:天板
102、103:側板
104:フランジ
109:開口
121:冷却器
122:パワーモジュール
124:信号端子
131、141:電子部品
151:温度センサ
152:信号ケーブル
153:クランパ
154:メインケーブル
161:バスバ
301:フランジ
302:ボルト

Claims (12)

  1. 燃料電池セルまたはバッテリが収容されているロアケースと、
    開口部が前記ロアケースの内側と連結しているとともに、内側に電子部品を搭載した基板が取り付けられているアッパーケースと、
    を備えており、
    前記アッパーケースの側板と前記基板との間に、前記アッパーケースの天板から延びている壁が設けられている、電源ユニット。
  2. 前記基板に対して前記壁とは反対側にリアクトルが配置されている、請求項1に記載の電源ユニット。
  3. 前記基板と前記リアクトルの間で前記天板に、前記リアクトルから延びている導体を接続する端子台が取り付けられている、請求項2に記載の電源ユニット。
  4. 前記リアクトルは、前記天板に取り付けられており、前記アッパーケースの前記側板に、前記リアクトルから延びているケーブルが留められている、請求項2または3に記載の電源ユニット。
  5. 前記壁が前記アッパーケースと一体に形成されている、請求項1から4のいずれか1項に記載の電源ユニット。
  6. 前記壁は、樹脂製のシート状部材で形成されている、請求項1から4のいずれか1項に記載の電源ユニット。
  7. 電源ユニットの製造方法であり、
    前記電源ユニットは、
    燃料電池セルまたはバッテリが収容されているロアケースと、
    開口部が前記ロアケースの内側と連結しているとともに、内側に電子部品を搭載した基板が取り付けられているアッパーケースと、
    前記アッパーケースの天板から延びており、前記アッパーケースの側板と前記基板との間に位置している壁と、を備えており、
    前記製造方法は、
    前記アッパーケースを、前記内側を上にした姿勢に保持し、前記アッパーケースに前記基板を取り付ける組付工程と、
    前記壁が前記基板の上に位置する状態を経て、前記アッパーケースの上下を反転させる反転工程と、
    前記アッパーケースを前記ロアケースに連結する連結工程と、
    を備えている、電源ユニットの製造方法。
  8. 前記基板に対して前記壁とは反対側にリアクトルが配置されている、請求項7に記載の製造方法。
  9. 前記基板と前記リアクトルの間で前記天板に、前記リアクトルから延びている導体を接続する端子台が取り付けられている、請求項8に記載の製造方法。
  10. 前記リアクトルは、前記天板に取り付けられており、前記アッパーケースの前記側板に、前記リアクトルから延びているケーブルが留められている、請求項8または9に記載の製造方法。
  11. 前記壁が前記アッパーケースと一体に形成されている、請求項7から10のいずれか1項に記載の製造方法。
  12. 前記壁は、樹脂製のシート状部材で形成されている、請求項7から10のいずれか1項に記載の製造方法。
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