CN109247016A - 电力转换装置 - Google Patents

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野村祐一郎
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Abstract

本发明提供一种电力转换装置，其具有用于对蓄电装置的直流电力和向负载供给的交流电力进行转换的功率模块、DC/DC转换器、充电装置、具有用于使电压平滑化的电容器的电容器模块以及用于收纳功率模块、DC/DC转换器、充电装置以及电容器模块并具有冷却面的壳体，在壳体内，在电容器模块的周围配置有功率模块、充电装置以及DC/DC转换器，并且在功率模块与充电装置之间配置有DC/DC转换器，电容器模块载置于冷却面之上。

Description

电力转换装置
技术领域
本发明涉及一种搭载于电动汽车、混合动力汽车等的电力转换装置。
背景技术
搭载于电动汽车、混合动力汽车等的电力转换装置具有功率模块、各种电子设备，存在因各部件的配置导致壳体大型化的问题。
针对这样的问题，在JP2013-209078A中公开了一种电气单元(参照专利文献1)，该电气单元在收纳壳体内的车辆前方方向排列高电压部件，并且在收纳壳体内的车辆后方方向排列低电压部件。
发明内容
在JP2013-209078A中所述的以往的技术是这样构成的，即，当施加了冲击输入时，低电压部件作为相对于高电压部件的缓冲材料而发挥功能，从而不使单元大型化，就能够在冲击输入时使高电压部件不会暴露。
另一方面，在JP2013-209078A中所述的以往的技术中，没有考虑到电力在配线中的损失。特别是，当用于连接功率元件、电容器等的配线的路径变长时，存在这样的问题，即，路径的阻值、电感上升，电力损失增加。此外，当配线的路径变长时，存在这样的问题，即，配线容易拾取来自其他信号线等的噪声，电噪声增加。
本发明是着眼于这样的问题点而完成的，其目的在于提供一种能够降低电力损失、电噪声并且能够使装置小型化的电力转换装置。
根据本发明的一个实施方式，提供一种用于在蓄电装置和负载之间转换电力并供给电力的电力转换装置，其中，该电力转换装置具有：功率模块，其用于对蓄电装置的直流电力和向负载供给的交流电力进行转换；DC/DC转换器，其用于转换蓄电装置的直流电压；充电装置，其将经由外部连接器供给的交流电力转换为直流电力，并对蓄电装置充电；电容器模块，其与功率模块、DC/DC转换器以及充电装置相连接，并具有用于使电压平滑化的电容器；以及壳体，其用于收纳功率模块、DC/DC转换器、充电装置以及电容器模块，并具有冷却面，在壳体内，在电容器模块的周围配置有功率模块、充电装置以及DC/DC转换器，并且在功率模块和充电装置之间配置有DC/DC转换器，电容器模块载置于冷却面之上。
根据本发明，在壳体内，在电容器模块的周围配置有功率模块、充电装置以及DC/DC转换器，电容器模块与DC/DC转换器层叠地配置，并且载置于冷却面侧，因此，能够缩短电容器模块与功率模块、充电装置以及DC/DC转换器之间的电力配线的距离。由此，能够减小在直流电力的路径上的电阻、电感，难以拾取噪声，因此能够降低电力损失、电噪声。
附图说明
图1是本发明的第1实施方式的电力转换装置的功能框图。
图2是本发明的第1实施方式的电力转换装置的俯视图。
图3A是本发明的第1实施方式的电力转换装置的侧视图。
图3B是本发明的第1实施方式的电力转换装置的立体图。
图4是本发明的第2实施方式的电力转换装置的侧视图。
图5是本发明的第2实施方式的电容器模块的说明图。
图6是表示本发明的第2实施方式的电容器模块的其他结构例的说明图。
图7是应用了本发明的第2实施方式的其他结构例的电容器模块的电力转换装置的剖视图。
图8是表示本发明的第2实施方式的电容器模块的结构例的说明图。
具体实施方式
以下参照附图来说明本发明的实施方式。
<第1实施方式>
图1是本发明的第1实施方式的电力转换装置1的功能框图。
电力转换装置1设于电动车辆或者插电混合动力车辆，其用于将蓄电装置(电池)5的电力转换为适合旋转电机(电动发电机)6的驱动的电力。作为负载的电动发电机6利用从电力转换装置1供给的电力驱动，车辆被驱动。
电力转换装置1将电动发电机6的再生电力转换为直流电力，并将电池5充电。此外，电力转换装置1从设于车辆的急速充电用的连接器或者普通充电用的连接器被供给电力，从而将电池5充电。
电池5例如由锂离子二次电池构成。电池5向电力转换装置1供给直流电力，利用从电力转换装置1供给的直流电力充电。电池5的电压例如在240V～400V之间变动，通过输入比该电池5的电压高的电压，将电池5充电。
电动发电机6例如作为永磁体同步电动机而构成。电动发电机6利用从电力转换装置1供给的交流电力驱动，从而驱动车辆。当车辆减速时，电动发电机6产生再生电力。
电力转换装置1在壳体2内具有电容器模块10、功率模块20、DC/DC转换器30、充电装置40、充电·DC/DC控制器50以及逆变器控制器70。该各部利用汇流条或者配线来电连接。
电容器模块10由多个电容器元件构成。电容器模块10通过使电压平滑化，去除噪声、抑制电压变动。电容器模块10具有第1汇流条11、第2汇流条12以及电力配线13。第1汇流条11包括与三极交流的各个极相对应的一组汇流条，由6个汇流条构成。第2汇流条由分别与直流的正极和负极相对应的这两个汇流条构成。
第1汇流条11与功率模块20相连接。第2汇流条12与DC/DC转换器30、继电器61、电池5以及电动压缩机(未图示)相连接。电力配线13由具有挠性的电缆(例如绞合线)构成，并与充电装置40相连接。第1汇流条11、第2汇流条12以及电力配线13在电容器模块10的内部共用正极和负极。
功率模块20通过打开/关闭多个功率元件(未图示)来将直流电力和交流电力相互转换。多个功率元件由设于功率模块20的驱动器基板21来控制打开/关闭。
功率模块20与电容器模块10的第1汇流条11相连接。第1汇流条11包括由正极和负极构成的三组汇流条。功率模块20具有由U相、V相、W相构成的3相的输出汇流条24。输出汇流条24与电流传感器22相连接。电流传感器22具有向电动发电机6侧输出三相的交流电力的马达侧汇流条25。
逆变器控制器70基于来自车辆的控制器(未图示)的指示和来自电流传感器22的U相、V相、W相的电流的检测结果来向驱动器基板21输出使功率模块20工作的信号。驱动器基板21基于来自逆变器控制器70的信号来控制功率模块20。利用逆变器控制器70、驱动器基板21、功率模块20以及电容器模块10来构成将直流电力和交流电力相互转换的逆变器模块。
DC/DC转换器30将从电池5供给的直流电力的电压转换，向其他的设备供给。DC/DC转换器30将电池5的直流电力(例如400V)降压为12V的直流电力。降压了的直流电力作为设于车辆的控制器、照明、风扇等的电源而被供给。DC/DC转换器30经由第2汇流条12与电容器模块10和电池5相连接。
充电装置40将从设于车辆的充电用的外部连接器经由普通充电连接器81供给的商用电源(例如交流200V)转换为直流电力(例如500V)。利用充电装置40转换的直流电力从电力配线13经由电容器模块10向电池5供给。由此，将电池5充电。
充电·DC/DC控制器50用于控制由电力转换装置1进行的电动发电机6的驱动和电池5的充电。具体而言，充电·DC/DC控制器50基于来自车辆的控制器的指示，控制由充电装置40进行的经由普通充电连接器81对电池5的充电、控制经由急速充电连接器63对电池5的充电以及电动发电机6的驱动、控制由DC/DC转换器30进行的降压。
继电器控制器60通过充电·DC/DC控制器50的控制来控制继电器61的通断。继电器61由正侧继电器61a和负侧继电器61b构成。继电器61在从充电用的外部连接器经由急速充电连接器63连接的情况下通电，将从急速充电连接器供给的直流电力(例如500V)向第2汇流条12供给。电池5利用供给的直流电力充电。
图2、图3A以及图3B是本发明的第1实施方式的电力转换装置1的结构框图。图2是电力转换装置1的俯视图，图3A是电力转换装置1的侧视图，图3B是电力转换装置1的立体图。
在壳体2的内部，在电容器模块10的周围与电容器模块10相邻地配置有功率模块20、DC/DC转换器30以及充电装置40。
更具体而言，电容器模块10在壳体2的内部以与功率模块20和充电装置40相邻的方式配置在该功率模块20与充电装置40之间。电容器模块10与DC/DC转换器30直接相对地配置，并将DC/DC转换器30层叠地配置在电容器模块10的上方侧。充电装置40与充电·DC/DC控制器50直接相对地配置，并将充电装置40层叠地配置在充电·DC/DC控制器50的下方侧。此外，如图3B所示，电容器模块10和功率模块20利用第1汇流条11直接连接。即，从电容器模块10延伸的第1汇流条11与功率模块20的端子螺纹紧固，从而电容器模块10与功率模块20直接连接。
在电容器模块10的一个侧面突出有由U相、V相、W相构成的3相的第1汇流条11。功率模块20利用螺纹结合等直接与第1汇流条11相连接。在功率模块20中，在与第1汇流条11相反的一侧突出有由U相、V相、W相构成的3相的输出汇流条24。
电流传感器22利用螺纹结合等直接与输出汇流条24相连接。在电流传感器22的下方侧(参照图3A)突出有马达侧汇流条25。马达侧汇流条25分别与功率模块20的输出汇流条24的U相、V相、W相直接连接，并输出3相的交流电力。马达侧汇流条25从壳体2暴露地构成，并利用线束等与电动发电机6相连接。
在功率模块20的上表面层叠有驱动器基板21。在驱动器基板21的上方侧层叠地配置有逆变器控制器70和继电器控制器60。
在电容器模块10的底面侧突出有第2汇流条12。第2汇流条12利用螺纹结合与在电容器模块10的上方侧层叠地配置的DC/DC转换器30直接连接。第2汇流条12与正侧继电器61a和负侧继电器61b相连接(参照图1)。
第2汇流条12经由汇流条14与连接有电池5的电池侧连接器51和连接有电动压缩机的压缩机侧连接器52相连接。
DC/DC转换器30经由汇流条31与车辆侧连接器82相连接。车辆侧连接器82连接有线束等，该线束等用于将DC/DC转换器30输出的直流电源向车辆的各部供给。
在电容器模块10的与第1汇流条11相反的一侧突出有电力配线13。电力配线13是具有挠性的柔软的电缆，并与充电装置40相连接。充电装置40经由汇流条41与普通充电连接器81相连接。
信号线连接器65将与电力转换装置1的DC/DC转换器30、充电装置40、充电·DC/DC控制器50以及逆变器控制器70相连接的信号线与壳体2的外部之间连接。
信号线55从信号线连接器65向充电·DC/DC控制器50连接。信号线55与从充电·DC/DC控制器50到继电器控制器60的信号线62绑定，经过DC/DC转换器30的上表面与充电·DC/DC控制器50的连接器56相连接。在DC/DC转换器30的上表面形成有用于支承信号线55和信号线62的引导部58。
壳体2由上壳体2a和下壳体2b构成。在下壳体2b形成有冷却水流路4。构成为冷却水在该冷却水流路4流通，冷却载置于冷却水流路4的正上方的功率模块20、电容器模块10以及充电装置40。
像以上那样，在本发明的第1实施方式中，提供一种用于在蓄电装置(电池5)和负载(电动发电机6)之间转换电力并供给电力的电力转换装置1，其具有：功率模块20，其用于对电池5的直流电力和向电动发电机6供给的交流电力进行转换；DC/DC转换器30，其用于转换电池5的直流电压；充电装置40，其利用经由外部连接器(普通充电连接器81)供给的电力将电池5充电；电容器模块10，其具有用于使电压平滑化的电容器；以及壳体2，其用于收纳功率模块20、DC/DC转换器30、充电装置40以及电容器模块10，在壳体2内，在电容器模块10的周围配置有功率模块20、DC/DC转换器30以及充电装置40。
通过这样构成，能够在壳体2内缩短电容器模块10与功率模块20、DC/DC转换器30以及充电装置40之间的距离，因此，能够减小在直流电力的路径上的电阻(R)、电感(L)，能够降低电力损失、电噪声。并且，由于能够在壳体2内缩短电容器模块10与功率模块20、DC/DC转换器30以及充电装置40之间的距离，因此能够使电力转换装置1小型化。
此外，在本发明的第1实施方式的电力转换装置1中，电容器模块10配置在功率模块20和充电装置40之间。即，由于将电容器模块10配置在了发热量较多的功率模块20和充电装置40之间，因此，能够抑制功率模块20和充电装置40互相施加由热产生的影响。特别是由于功率模块20的工作(电动发电机6的动力运行、再生)和充电装置40的工作(来自普通充电连接器81的电力对电池5的充电)不会同时执行，因此，能够排除在它们之间的由热产生的影响。
更具体而言，假设以下这样的状况。即，在具有充电设备的车库、停车场等从充电设备经由充电连接器对车辆进行充电的情况下，充电装置40工作而对电池5充电，从而充电装置40发热。然后，在使车辆行驶的情况下，功率模块20工作，使用电池5的电力来驱动电动发电机6，从而功率模块发热。在该状况下，在充电装置40与功率模块20相邻地配置的情况下，在已发热的充电装置40与因行驶而发热的功率模块20之间互相受到由热产生的影响。与此相对，在本发明的第1实施方式中，在俯视时，将电容器模块10配置在充电装置40与功率模块20之间，从而能够在该充电装置40与功率模块20之间排除由热产生的影响。电容器模块10由多个电容器元件构成。电容器元件例如通过将层叠的金属和树脂的膜卷绕而构成，因此，单位体积的热容量较大。根据这样的结构，即使相邻的功率模块20或者充电装置40的热上升，由于电容器模块10的热容量较大，因此也能够挡住该热，抑制该热向另一者传递。
此外，在本发明的第1实施方式中，由于DC/DC转换器30与所述电容器模块10层叠地配置，因此，在壳体2内，电容器模块10和DC/DC转换器30在层叠方向上相邻地配置，能够使电力转换装置1小型化。
此外，在本发明的第1实施方式的电力转换装置1中，电容器模块10具有第1汇流条11、第2汇流条12以及电力配线13，第1端子与功率模块20相连接，第2端子与DC/DC转换器30相连接，第3端子与充电装置40相连接。根据这样的结构，能够在壳体2内缩短电容器模块10与功率模块20、DC/DC转换器30以及充电装置40之间的电力路径，因此，能够减小在直流电力的路径上的电阻(R)、电感(L)，能够降低电力损失、电噪声，并且能够使电力转换装置1小型化。
此外，在本发明的第1实施方式的电力转换装置1中，第1端子和第2端子是第1汇流条11、第2汇流条12，第3端子是具有挠性的电缆(电力配线13)。根据这样的结构，特别是能够自由地设置用于连接第3端子的路径，因此，在壳体2内的各部的配置的自由度增加，能够使电力转换装置1小型化。
<第2实施方式>
接着说明本发明的第2实施方式。
图4是本发明的第2实施方式的电力转换装置1的侧视图。
在第1实施方式中是这样的结构，即，电容器模块10配置在功率模块20与充电装置40之间，在电容器模块10的上方侧层叠地配置有DC/DC转换器30。
与此相对，在第2实施方式中设为了这样的结构，即，电容器模块10载置于壳体2的冷却面之上，在该电容器模块10的上方侧载置有功率模块20、DC/DC转换器30以及充电装置40。
如图4所示，在下壳体2b形成有冷却水流路4。在下壳体2b上载置有薄板状的电容器模块10，该电容器模块10形成为在俯视时与冷却面4a大致相同的面积，该冷却面4a位于冷却水流路4的上方侧并且是下壳体2b的内表面的上侧(以下称作“冷却面4a”)的大约整个面。
在电容器模块10的上方侧载置有功率模块20、DC/DC转换器30以及充电装置40。DC/DC转换器30配置在功率模块20和充电装置40之间。
构成电容器模块10的电容器元件例如由金属薄膜和电介质薄膜层叠地构成。电容器模块10的静电容量与层叠的薄膜的面积相对应。因此，通过变更薄膜的形状、层叠形状，能够提高形状的自由度。在本实施方式中，尽量地使立方体形状的电容器模块10的外形在上下方向上较薄地形成，从而能够确保必要的静电容量，并且将电容器模块10形成为了薄板状。
作为一例，在将电容器模块10的形状设为在图2的俯视视角下使点A和点B成为对角的矩形形状的情况下，即使与图2和图3A所示的电容器模块10容量相同，也能够设为在上下方向上大约1/3的薄度的形状。
本发明的第2实施方式的电容器模块10配置在功率模块20、DC/DC转换器30以及充电装置40的下方侧的大致整个面，在电容器模块10的上方侧突出设置有汇流条。更具体而言，通过设为这样的结构，即，在薄板状的电容器模块10的内部的整个面配置正极和负极的汇流条，使正极和负极的汇流条从任意的位置向上方立起，从而能够在薄板状的电容器模块的上方的任意的位置配置汇流条。
根据这样的结构，电容器模块10的第1汇流条11、第2汇流条12以及第3汇流条23能够为了与功率模块20、DC/DC转换器30以及充电装置40相连接而配置在最近的位置。因而，能够缩短电容器模块10与功率模块20、DC/DC转换器30以及充电装置40之间的电力路径，因此，能够减小在直流电力的路径上的电阻(R)、电感(L)，能够降低电力损失、电噪声，并且，与第1实施方式相比较，能够使电力转换装置1在上下方向上小型化(薄型化)。
此外，由于能够在电容器模块10的任意的位置配置汇流条，因此，能够自由地决定配置在电容器模块10的上方侧的各部件的位置。由此，能够提高布局的自由度，能够提高电力转换装置1的壳体2内的各部件的配置的自由度，因此能够使电力转换装置1小型化。
图5是说明本发明的第2实施方式的电容器模块10的立体图。
电容器模块10具有第1汇流条11、第2汇流条12以及第3汇流条23。第1汇流条11、第2汇流条12以及第3汇流条23在电容器模块10的上方侧突出设置，并且分别与载置有功率模块20、DC/DC转换器30以及充电装置40的位置相对应地设置。
第1汇流条11与功率模块20的输入端子相对应地由在U相、V相、W相分别具有正极和负极的组的6个汇流条构成。
第2汇流条12与DC/DC转换器30的输入端子相对应地由两个汇流条构成，该两个汇流条由正极和负极的组构成。
第3汇流条23与充电装置40的输入端子相对应地由两个汇流条构成，该两个汇流条由正极和负极的组构成。
当功率模块20、DC/DC转换器30以及充电装置40载置于电容器模块10的上表面时，与第1汇流条11、第2汇流条12以及第3汇流条23电连接。
像以上那样，在本发明的第2实施方式中设为了这样的结构，即，在壳体2内，在下壳体2b的冷却面4a配置薄板状的电容器模块10，在电容器模块10的上方侧载置功率模块20、DC/DC转换器30以及充电装置40。
这样，使电容器模块10形成为薄板状，并将电容器模块10配置在下壳体2b的冷却面4a的大致整个面，从而电容器模块10在壳体2内占的上下方向的体积变小，能够使电力转换装置1薄型化。
图6是表示本发明的第2实施方式的电容器模块10的其他结构例的说明图，图7是应用了本发明的第2实施方式的其他结构例的电容器模块的电力转换装置的剖视图。
如图4所示，在遍及下壳体2b的冷却面4a的大致整个面地配置了电容器模块10的情况下，功率模块20、DC/DC转换器30以及充电装置40与冷却面4a之间的热阻变大。
因此，为了提高功率模块20、DC/DC转换器30以及充电装置40的冷却效率，以功率模块20、DC/DC转换器30以及充电装置40与冷却面4a直接接触的方式，在电容器模块10设置了开口部。
如图6所示，开口部20a形成在功率模块20与冷却面4a直接接触的位置。同样地，开口部30a形成在DC/DC转换器30与冷却面4a直接接触的位置，开口部40a形成在充电装置40与冷却面4a直接接触的位置。
如图7所示，功率模块20、DC/DC转换器30以及充电装置40在与开口部20a、开口部30a以及开口部40a相对应的位置具有例如由金属形成的传热部。设于功率模块20、DC/DC转换器30以及充电装置40的半导体元件、感应器等发热部件经由传热部直接与冷却面4a进行热交换。
像前述那样，电容器模块10能够确保必要的静电容量，并且能够将其外形变更为多种。因而，如图6所示，通过构成使载置于电容器模块10的上方侧的功率模块20、DC/DC转换器30以及充电装置40直接与冷却面4a相接触的这样的开口部，能够提高散热效率，能够提高电力转换装置1的效率。
图8是表示本发明的第2实施方式的电容器模块10的其他结构例的说明图。
电容器模块10的静电容量依赖于金属薄膜和电介质薄膜的层叠体的体积。因此，为了能够确保电容器模块10所要求的静电容量，并且为了能够使电力转换装置1薄型化，也可以将电容器模块10的形状设为如图7所示那样的箱形形状。
更具体而言，使电容器模块10的与冷却面4a接触的一侧比图5所示的形状更加薄型化，将电容器模块10设为使其四边侧向上方侧立起的箱形形状，将向四边侧立起的空间活用作电容器元件，从而能够使电容器模块10的与冷却面4a接触的面薄型化，因此能够进一步使电力转换装置1薄型化。
以上说明了本发明的实施方式，但上述实施方式只表示了本发明的应用例之一，并不是将本发明的技术范围限定于上述实施方式的具体的结构的意思。
在上述第1实施方式中，利用具有挠性的电缆(电力配线13)将电容器模块10和充电装置40之间连接，在第2实施方式中，利用汇流条(第3汇流条23)将电容器模块10和充电装置40之间连接，但并不限定于此。既可以是，利用汇流条将电容器模块10和充电装置40之间连接，也可以是，利用具有挠性的电缆将电容器模块10和功率模块20之间、或者将电容器模块10和DC/DC转换器30之间连接。
本申请主张基于2016年4月27日向日本国特许厅申请的特愿2016-089221的优先权。该申请的全部内容根据参照编入到本说明书中。

Claims (5)

1.一种电力转换装置，其用于在蓄电装置和负载之间转换电力并供给电力，其中，
该电力转换装置具有：
功率模块，其用于对所述蓄电装置的直流电力和向所述负载供给的交流电力进行转换；
DC/DC转换器，其用于转换所述蓄电装置的直流电压；
充电装置，其将经由外部连接器供给的交流电力转换为直流电力，并对所述蓄电装置充电；
电容器模块，其与所述功率模块、所述DC/DC转换器以及所述充电装置相连接，并具有用于使电压平滑化的电容器；以及
壳体，其用于收纳所述功率模块、所述DC/DC转换器、所述充电装置以及所述电容器模块，并具有冷却面，
在所述壳体内，在所述电容器模块的周围配置有所述功率模块、所述充电装置以及所述DC/DC转换器，并且在所述功率模块和所述充电装置之间配置有所述DC/DC转换器，
所述电容器模块载置于所述冷却面之上。
2.根据权利要求1所述的电力转换装置，其中，
所述电容器模块形成为薄板状，并且载置于所述冷却面之上，
所述功率模块、所述DC/DC转换器以及所述充电装置载置于所述电容器模块的上方侧。
3.根据权利要求1所述的电力转换装置，其中，
所述电容器模块形成为在俯视时与所述冷却面大致相同的面积。
4.根据权利要求1～3中任一项所述的电力转换装置，其中，
对于所述电容器模块，与所述功率模块、所述DC/DC转换器以及所述充电装置中的至少一者电连接的汇流条向上方侧突出设置。
5.根据权利要求2～4中任一项所述的电力转换装置，其中，
所述电容器模块在与所述功率模块、所述DC/DC转换器以及所述充电装置中的至少一者相对应的位置具有供所述功率模块、所述DC/DC转换器以及所述充电装置与所述冷却面直接接触的开口部。
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