JP4890162B2 - 車両における電気機器の冷却構造 - Google Patents

Description

本発明は、走行用モータを駆動するためのバッテリおよび電気制御機器を含む電気機器をシートの後方のフロアの下方に配置し、その電気機器を冷却空気で冷却する車両における電気機器の冷却構造に関する。

自動車の走行用モータを駆動する電池を含む電源装置をリヤシートの後方のトランクルームに搭載し、この電源装置に一体に設けた強制送風機が供給する冷却空気で電池を冷却するものが、下記特許文献１により公知である。

また自動車の走行用モータを駆動するバッテリ、ＤＣ／ＤＣコンバータ、モータ駆動用インバータ、冷却ファン等を含む蓄電装置をリヤシートの下方に配置し、冷却ファンで吸引した冷却空気でバッテリ、ＤＣ／ＤＣコンバータおよびモータ駆動用インバータを冷却するものが、下記特許文献２により公知である。
特開２００３−４５３９２号公報 特開２００５−１５３８２７号公報

ところで上記特許文献１に記載されたものは、電源装置の電池を強制送風機が供給する冷却空気で冷却するようになっているが、電源装置に含まれるＤＣ／ＤＣコンバータやモータ駆動用インバータの冷却については開示していない。

また上記特許文献２に記載されたものは、バッテリ、ＤＣ／ＤＣコンバータ、モータ駆動用インバータおよび冷却ファンを車幅方向に直列に配置し、冷却ファンで吸引した冷却空気でバッテリ、ＤＣ／ＤＣコンバータおよびモータ駆動用インバータを順次冷却するようになっている。

この場合、冷却空気はバッテリ、ＤＣ／ＤＣコンバータおよびモータ駆動用インバータを冷却する間に熱交換により次第に温度上昇するため、上流側のバッテリを充分に冷却することができても、下流側のモータ駆動用インバータを充分に冷却できなくなる可能性がある。しかも、バッテリ、ＤＣ／ＤＣコンバータ、モータ駆動用インバータおよび冷却ファンを直列に配置しているので、電源装置の寸法が長大になって車両への搭載に大きな制約があるだけでなく、冷却空気の通路の流路抵抗が増えるために大型で高性能な冷却ファンが必要となる問題がある。

本発明は前述の事情に鑑みてなされたもので、走行用モータを駆動すべくシートの後方のフロアの下方に配置した電気機器の大型化を回避しながら、その冷却性能を高めることを目的とする。

上記目的を達成するために、請求項１に記載された発明によれば、走行用モータを駆動するためのバッテリおよび電気制御機器を含む電気機器を収納した電源ユニット収納室をシートの後方のフロアの下方に配置し、その電気機器を冷却空気で冷却する車両における電気機器の冷却構造であって、前記電源ユニット収納室内で前記バッテリの上部に前記電気制御機器が重ねて配置されると共に、該電源ユニット収納室に、前記バッテリを冷却する冷却空気の流路と、前記電気制御機器を冷却する冷却空気の流路とが上下に画成され、車体前方から導入された冷却空気は、前記電源ユニット収納室内で前記両流路を上下に分流することで、前記バッテリおよび前記電気制御機器をパラレルに冷却した後に合流し、その合流部の下流に配置した冷却ファンを通過して排出され、前記バッテリを冷却する冷却空気の前記流路は、流路断面積が下流側に向けて徐々に減少するよう形成されることを特徴とする、車両における電気機器の冷却構造が提案される。

また請求項２に記載された発明によれば、請求項１の構成に加えて、前記冷却ファンは軸流ファンであることを特徴とする、車両における電気機器の冷却構造が提案される。

また請求項３に記載された発明によれば、請求項１または請求項２の構成に加えて、前記電気機器を冷却した冷却空気を車体外部に排出する冷却空気排出通路を、前記冷却ファンの後方のフロア部材の下面に車幅方向左右に向けて二股に形成したことを特徴とする、車両における電気機器の冷却構造が提案される。

尚、実施の形態のリヤシート１６は本発明のシートに対応し、実施の形態の電源ユニット１９は本発明の電気機器に対応し、実施の形態のリヤフロア３２は本発明のフロアに対応し、実施の形態の上部樹脂ケース３２は本発明のフロア部材に対応し、実施の形態のバッテリモジュール３７は本発明のバッテリに対応し、実施の形態のＤＣ／ＤＣコンバータ４１およびモータ駆動用インバータ４２は本発明の電気制御機器に対応する。

請求項１の構成によれば、走行用モータを駆動すべく、シートの後方のフロアの下方に配置された電源ユニット収納室に収納された電気機器を、下側のバッテリと上側の電気制御機器とを上下に重ねて構成したので、車体前方から導入された冷却空気は電源ユニット収納室内で上下に分流してバッテリおよび電気制御機器をパラレルに冷却することが可能となる。これにより、冷却空気の通路を単純化して電気機器全体を小型化し、車体への搭載性を高めることができるだけでなく、バッテリおよび電気制御機器の両方に熱交換前の低温の冷却空気を作用させて冷却効果を高めることができる。しかも冷却空気の圧損を低減することができるので、冷却空気の合流部の下流に配置される冷却ファンに小型で安価なものを使用することができる。また特にバッテリを冷却する冷却空気の流路は、流路断面積が下流側に向けて徐々に減少するよう形成されるので、冷却され難い下流側のバッテリを効率的に冷却し、バッテリを均一に冷却することができる。

また請求項２の構成によれば、冷却ファンを軸流ファンで構成したので、構造が複雑で高価な遠心ファンを採用する場合に比べてコストを削減することができる。しかもバッテリおよび電気制御機器をパラレルに冷却することで冷却空気の圧損が小さくなるため、安価な軸流ファンでも充分な冷却性能を確保することができる。

また請求項３の構成によれば、電気機器を冷却した冷却空気を車体外部に排出する冷却空気排出通路を、冷却ファンの後方のフロア部材の下面に車幅方向左右に向けて二股に形成したので、冷却空気排出通路によりフロア部材の上方のスペースが狭くなるのを防止することができるだけでなく、冷却ファンの下流の冷却空気排出通路の流路断面積を充分に確保して圧損を更に減少させ、冷却ファンの負荷を軽減することができる。

以下、本発明の実施の形態を添付の図面に基づいて説明する。

図１〜図９は本発明の実施の形態を示すもので、図１はハイブリッド車両の全体側面図、図２は図１の要部拡大図、図３は樹脂ケースおよび電源ユニットの分解斜視図、図４は電源ユニットの分解斜視図、図５は図２の５方向矢視図、図６は図５の６−６線断面図、図７は図６の７−７線断面図、図８は図７の８−８線断面図、図９は電源ユニット冷却の作用説明図である。

図１および図２に示すように、図示せぬエンジンおよびモータを走行用駆動源とするハイブリッド車両は、シートクッション１１およびシートバック１２よりなるフロントシート１３と、シートクッション１４およびシートバック１５よりなるリヤシート１６とを備える。フロントシート１３のシートクッション１１の下方には燃料タンク１７が配置されるとともに、リヤシート１６の後方のラッゲージスペース１８の下方にはモータを駆動するための電源ユニット１９が搭載される。

リヤシート１６のシートクッション１４の下面には左右一対のステー２０，２０が折り畳み可能に設けられており、リヤシート１６の使用状態では、ステー２０，２０の下端をリヤシート１６のシート下フロア２１に設けたフック２２，２２に係止し、かつシートクッション１４の後端をシート下フロア２１の後方の隆起部２３に設けたシートクッション係止部２４に係止して固定するようになっている。シートバック１５はシートクッション１４の後端に設けたリクライニング軸２５を介して前方に倒伏可能である。

従って、シートクッション１４の後端を隆起部２３のシートクッション係止部２４から分離すると、ステー２０，２０がフック２２，２２を支点にして前方に揺動することで、シートクッション１４がシート下フロア２１に沿う位置まで前下方に平行移動しながら沈下する。そしてシートバック１５をリクライニング軸２５を中心として前方に揺動させることで、シートバック１５が略水平になるようにリヤシート１６が折り畳まれる（図２の鎖線参照）。

シート下フロア２１の後方の隆起部２３の後方には下方に凹んだ電源ユニット収納部２６が連続しており、この電源ユニット収納部２６の上面開口部の周囲がラッゲージスペース１８のフロアを構成するリヤフロア２７（図５参照）で覆われる。

次に、図３〜図８に基づいて電源ユニット１９の構造を説明する。

電源ユニット１９を収納するケーシングは容器状の下部樹脂ケース３１と概ね平坦な蓋状の上部樹脂ケース３２とで構成される。下部樹脂ケース３１の前部には、車体前方に向けて開口する３個のダクト状の冷却空気吸入通路３１ａ〜３１ｃと、車体左側方に向けて開口するダクト状の冷却空気吸入通路３１ｄとが一体に形成されるとともに、下部樹脂ケース３１の後部には、車幅方向に延びる二つの樋状の冷却空気排出通路３１ｅ，３１ｆが形成される。

冷却空気吸入通路３１ａ〜３１ｃはリヤシート１６のシートクッション１４の後端に開口し、シートクッション１４の下面を通して車室内の空気を吸引する（図６参照）。また冷却空気吸入通路３１ｄはリヤシート１６のシートクッション１４の側部に開口し、そこから車室内の空気を吸引する。樋状の冷却空気排出通路３１ｅ，３１ｆは、その上面に結合される上部樹脂ケース３２との協働により、ダクトを構成する。

下部樹脂ケース３１の中間部には導風板３３が水平に固定されており、この導風板３３の後部に一体に形成されたモータ支持ブラケット３３ａに、軸流ファンよりなる冷却ファン３４を駆動する冷却ファン駆動モータ３５が支持される（図６参照）。下部ケース３１は冷却ファン３４の位置で細く括れており、その前側に電源ユニット１９を収納するための大容積の電源ユニット収納室３６が形成され、その後側に前記冷却空気排出通路３１ｅ，３１ｆが連通する。従って、冷却ファン３４を通過して後方に案内された冷却空気は、左右の冷却空気排出通路３１ｅ，３１ｆに分岐する。

電源ユニット１９は、４列３段に配置された合計１２本の円柱状のバッテリモジュール３７…を備えており、それらのバッテリモジュール３７…は上下に４分割されて２本のボルト３８，３８で締結された左右二組のバッテリホルダ３９…間に挟まれて束ねられる。このとき、最下段のバッテリホルダ３９の下面に導風板４０が積層され、前記ボルト３８…で共締めされる（図８参照）。最下段のバッテリモジュール３７…に対向する導風板４０の上面は、後方側が高くなるように、つまり最下段のバッテリモジュール３７…に接近するように傾斜している。

更に、電源ユニット１９は、電気的に直列に接続されたバッテリモジュール３７…の高電圧を１２ボルトに降圧するＤＣ／ＤＣコンバータ４１と、バッテリモジュール３７…の直流電流を交流電流に変換してモータの駆動を制御するモータ駆動用インバータ（ＰＤＵ）４２と、プリント配線基板上に設けられた電子制御ユニット４３と、モータ駆動用インバータ４２用の平滑化コンデンサ４４…とを備えており、これらＤＣ／ＤＣコンバータ４１、モータ駆動用インバータ４２、電子制御ユニット４３および平滑化コンデンサ４４…は、上面が開放した容器状の下部金属ケース４５と、その上面に複数本のボルト４７…で結合される平坦な蓋状の上部金属ケース４６とで区画される空間に収納される。このように、電気的ノイズの発生要因となる高圧系の部品を下部金属ケース４５および上部金属ケース４６で囲まれた空間に収納することで、電気的ノイズが他の機器に及ぼす影響を除去することができる。

ＤＣ／ＤＣコンバータ４１およびモータ駆動用インバータ４２はそれぞれ車幅方向左側と右側とに並置されており、ＤＣ／ＤＣコンバータ４１の上方に電子制御ユニット４３が配置され、モータ駆動用インバータ４２の上面に３個の平滑化コンデンサ４４…が配置される。

左右のサイドフレーム４８，４８を車幅方向に架橋する２本の電源ユニット支持フレーム４９，４９の下面に前記下部金属ケース４５が複数本のボルト５０…で固定される。またバッテリモジュール３７…を束ねる左右二組のバッテリホルダ３９…が複数本のボルト５１…で下部金属ケース４５の下面に吊り下げ支持される。このとき、下部金属ケース４５の下面と最上段のバッテリモジュール３７…の上面との間に、発泡スチロール製のインシュレータ５２が挟持される。

このように、電源ユニット１９は、電源ユニット収納室３６内で、比較的に重量の大きいバッテリモジュール３７…が下側に配置され、それよりも重量の小さいＤＣ／ＤＣコンバータ４１やモータ駆動用インバータ４２がバッテリモジュール３７…の上側に配置されるので、電源ユニット１９の重心を低くして車両の安定性を高めることができる。

下部金属ケース４５にはＤＣ／ＤＣコンバータ４１の下面が臨む開口４５ａと、モータ駆動用インバータ４２の下面が臨む開口４５ｂとが形成されており、両開口４５ａ，４５ｂが臨むインシュレータ５２の上面には前後方向に延びる２本の導風溝５２ａ，５２ｂが形成される（図７参照）。ＤＣ／ＤＣコンバータ４１の下面に突出する多数の冷却フィン４１ａ…は下部金属ケース４５の開口４５ａを通過してインシュレータ５２の導風溝５２ａ内に突出し、モータ駆動用インバータ４２の下面に突出する多数の冷却フィン４２ａ…は下部金属ケース４５の開口４５ｂを通過してインシュレータ５２の導風溝５２ｂ内に突出する。

また最上段のバッテリモジュール３７…の上面に対向するインシュレータ５２の下面には車幅方向に延びる段部５２ｃが形成されており（図８参照）、この段部５２ｃの前側でバッテリモジュール３７…の上面とインシュレータ５２の下面との間の間隔が広く、後側で前記間隔が狭くなっている。

３段に積層したバッテリモジュール３７…の右側面に四角形の板状の高圧配電盤５３が配置される。高圧配電盤５３の上部は最上段のバッテリモジュール３７…の上面よりも上方に延出する延出部５３ａとなっており、この延出部５３ａの左側面はモータ駆動用インバータ４２の右側面に近接して対向する位置に延びている。そして高圧配電盤５３の延出部５３ａと平滑化コンデンサ４４…とが一対の端子５４，５４により接続される。また高圧配電盤５３の右側面には、バッテリモジュール３７…からの電流をＯＮ／ＯＦＦするコンタクタ５５と、バッテリモジュール３７…に対して流入あるいは流出する電流を検出する電流センサ５６が設けられる。

このように構成された電源ユニット１９は下部樹脂ケース３１の内部に収納され、その上面開口部を覆う上部樹脂ケース３２が複数本のボルト５７…で固定される。この状態で上部樹脂ケース３２はリヤフロア２７と同じ高さになり、それらは協働してラッゲージスペース１８の床面を構成する。

次に、上記構成を備えた本発明の実施の形態の作用について説明する。

電源ユニット１９から供給される電流で走行用モータを駆動すると、電源ユニット１９のバッテリモジュール３７…、ＤＣ／ＤＣコンバータ４１、モータ駆動用インバータ４２等が発熱するため、冷却ファン３４をファン駆動モータ３５で駆動することで発生する冷却空気によりそれらを冷却する。

図６に示すように、冷却ファン３４が回転すると下部樹脂ケース３１および上部樹脂ケース３２により区画された電源ユニット収納室３６に負圧が発生し、４個の冷却空気吸入通路３１ａ〜３１ｄから車室内の空気が電源ユニット収納室３６に吸入される。この冷却空気は電源ユニット収納室３６の内部でインシュレータ５２を境にして上下の流路に分れて流れ、下側の流路に流れた冷却空気は４列３段に配置された合計１２本バッテリモジュール３７…間の隙間を後方に流れ、その間にバッテリモジュール３７…を冷却する。

このとき、図８に示すように、最下段のバッテリモジュール３７…の下面に対向する導風板４０が後ろ上がりに傾斜しており、かつ最上段のバッテリモジュール３７…の上面に対向するインシュレータ５２の下面に段部５２ｃが形成されているため、電源ユニット収納室３６のバッテリモジュール３７…を冷却する冷却空気の流路の流路断面積が、下流側に向けて徐々に減少して冷却空気の流速が高められる。これにより冷却され難い下流側のバッテリモジュール３７…を効率的に冷却し、全てのバッテリモジュール３７…を均一に冷却することができる。

また図６、図７および図９に示すように、インシュレータ５２の上側の流路に流れた冷却空気は、インシュレータ５２の上面に前後方向に形成した左右の導風溝５２ａ，５２ｂに分かれて前から後に流れ、その一方は下部金属ケース４５の開口４５ａから下向きに突出するＤＣ／ＤＣコンバータ４１の冷却フィン４１ａ…に接触して該ＤＣ／ＤＣコンバータ４１を冷却し、その他方は下部金属ケース４５の開口４５ｂから下向きに突出するモータ駆動用インバータ４２の冷却フィン４２ａ…に接触して該モータ駆動用インバータ４２を冷却する。

このようにして電源ユニット１９を冷却した冷却空気は再び合流して冷却ファン３４を通過した後、冷却ファン３４の後方の左右の冷却空気排出通路３１ｅ，３１ｆに分岐する。車幅方向左側および右側に分岐した左右の冷却空気排出通路３１ｅ，３１ｆの下流端は、ラッゲージスペース１８の内張りとリヤフェンダーとの間の空間に流入し、一部が車外に排出されて一部が車室内に戻される。このとき、排気騒音が車室内に伝わらないように、冷却空気排出通路３１ｅ，３１ｆにサイレンサを設けても良い。

リヤフロア２７に形成した電源ユニット収納部２６は、通常はスペアタイヤの収納部として使用される空間であり、この空間を利用して電源ユニット１９を収納することにより、リヤシート１６の後方のラッゲージスペース１８を圧迫することがない。また電源ユニット１９を収納する下部樹脂ケース３１の上面開口部を覆う上部樹脂ケース３２は、リヤフロア２７と同一平面上に連なってラッゲージスペース１８の平坦な床面を構成するため、ラッゲージスペース１８の使い勝手が向上する。

また束ねられた１２本のバッテリモジュール３７…の上部にＤＣ／ＤＣコンバータ４１およびモータ駆動用インバータ４２を左右に振り分けて配置し、ＤＣ／ＤＣコンバータ４１の上部に電子制御ユニット４３を支持してモータ駆動用インバータ４２の上部に平滑化コンデンサ４４…を支持し、更にそれらの側面に高圧配電盤５３を配置したので、電源ユニット１９をコンパクト化してリヤフロア２７に形成した電源ユニット収納部２６に容易に収納することができるだけでなく、それらを相互に接続するケーブルを廃止したり最短化することができる。例えば、高圧配電盤５３にコンタクタ５５を設けることで、バッテリモジュール３７…とモータ駆動用インバータ４２とを接続するケーブルを廃止したり、高圧配電盤５３に延出部５３ａを形成することで、その延出部５３ａと平滑化コンデンサ４４…とをケーブルを用いずに端子５４，５４で接続することができる。

また下部樹脂ケース３１内の電源ユニット収納室３６に吸入された冷却空気は、上下に分流して下側のバッテリモジュール３７…と、上側のＤＣ／ＤＣコンバータ４１およびモータ駆動用インバータ４２とをパラレルに冷却するので、それらバッテリモジュール３７…、ＤＣ／ＤＣコンバータ４１およびモータ駆動用インバータ４２に熱交換前の低温の冷却空気を接触させて均等に冷却することができ、しかも冷却空気の圧損を最小限に抑えることができる。これにより、冷却ファン３４に高価は遠心ファン（例えば、シロッコファン）を用いることなく、安価な軸流ファンを用いるだけで充分な冷却性能を確保することが できる。

仮に、バッテリモジュール３７…、ＤＣ／ＤＣコンバータ４１およびモータ駆動用インバータ４２をシリーズに冷却する場合には、上流側の配置された機器の冷却効果は向上するが、下流側の配置された機器の冷却効果が低下してしまう問題があり、しかも冷却空気の圧損が増加するために、冷却ファン３４や冷却ファン駆動モータ３５に高性能のものが必要になってコストアップの要因となる問題がある。

また冷却ファン３４を通過した後の冷却空気が流れる冷却空気排出通路３１ｅ、３１ｆを二股に分岐させたで、冷却空気排出通路３１ｅ、３１ｆのトータルの流路断面積を充分に確保し、冷却ファン３４の背圧を低下させて冷却ファン駆動モータ３５の負荷を更に低減することができる。しかも前記冷却空気排出通路３１ｅ、３１ｆは上部樹脂ケース３２の下面、つまりリヤフロア２７の下面に形成されるので、ラッゲージスペース１８の容積を圧迫することがない。

以上、本発明の実施の形態を説明したが、本発明はその要旨を逸脱しない範囲で種々の設計変更を行うことが可能である。

例えば、実施の形態では走行用駆動源としてエンジンおよびモータを備えたハイブリッド車両を例示したが、本発明は走行用駆動源としてモータだけを備えた電気自動車に対しても適用することができる。

ハイブリッド車両の全体側面図 図１の要部拡大図 樹脂ケースおよび電源ユニットの分解斜視図 電源ユニットの分解斜視図 図２の５方向矢視図 図５の６−６線断面図 図６の７−７線断面図 図７の８−８線断面図 電源ユニット冷却の作用説明図

１６ リヤシート（シート）
１９ 電源ユニット（電気機器）
２７ リヤフロア（フロア）
３１ｅ 冷却空気排出通路
３１ｆ 冷却空気排出通路
３２ 上部樹脂ケース（フロア部材）
３４ 冷却ファン
３６ 電源ユニット収納室
３７ バッテリモジュール（バッテリ）
４１ ＤＣ／ＤＣコンバータ（電気制御機器）
４２ モータ駆動用インバータ（電気制御機器）

Claims (3)

1. 走行用モータを駆動するためのバッテリ（３７）および電気制御機器（４１，４２）を含む電気機器（１９）を収納した電源ユニット収納室（３６）をシート（１６）の後方のフロア（２７）の下方に配置し、その電気機器（１９）を冷却空気で冷却する車両における電気機器の冷却構造であって、
   前記電源ユニット収納室（３６）内で前記バッテリ（３７）の上部に前記電気制御機器（４１，４２）が重ねて配置されると共に、該電源ユニット収納室（３６）に、前記バッテリ（３７）を冷却する冷却空気の流路と、前記電気制御機器（４１，４２）を冷却する冷却空気の流路とが上下に画成され、
   車体前方から導入された冷却空気は、前記電源ユニット収納室（３６）内で前記両流路を上下に分流することで、前記バッテリ（３７）および前記電気制御機器（４１，４２）をパラレルに冷却した後に合流し、その合流部の下流に配置した冷却ファン（３４）を通過して排出され、
   前記バッテリ（３７）を冷却する冷却空気の前記流路は、流路断面積が下流側に向けて徐々に減少するよう形成されることを特徴とする、車両における電気機器の冷却構造。
2. 前記冷却ファン（３４）は軸流ファンであることを特徴とする、請求項１に記載の車両における電気機器の冷却構造。
3. 前記電気機器（１９）を冷却した冷却空気を車体外部に排出する冷却空気排出通路（３１ｅ，３１ｆ）を、前記冷却ファン（３４）の後方のフロア部材（３２）の下面に車幅方向左右に向けて二股に形成したことを特徴とする、請求項１または請求項２に記載の車両における電気機器の冷却構造。

Images