CN113841329A - 电力转换装置以及电驱动单元 - Google Patents

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Abstract

一种电力转换装置，具有：全固态电池；电力转换器，在所述全固态电池和负载之间进行电力转换；以及热耦合部件，将所述全固态电池和所述电力转换器热耦合。

Description

电力转换装置以及电驱动单元
技术领域
本发明涉及电力转换装置以及电驱动单元。
本申请要求基于2019年5月21日在日本提出申请的特愿2019－094956号的优先权，将其内容引用于此。
背景技术
在下述专利文献1中，公开了具有在电动汽车中安装的电池模块、以及将从所述电池模块输出的电力升压并转换为交流的电力转换器的电力转换装置。电池模块以及电力转换器的发热量都较多。因此，需要将电池模块以及电力转换器各自的动作温度维持在额定上限以下。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2014－76781号公报
发明内容
发明要解决的课题
上述电池模块大多使用锂离子电池，一般来说动作温度的额定上限低。上述电力转换器具有大功率用的半导体元件。上述电力转换器由于电力损失造成的发热量比电池模块多，动作温度的额定上限也比锂离子电池高。因此，以往为了将电池模块将电力转换器各自的动作温度控制在额定上限以下，在结构上将电池模块和电力转换器分开，以便不相互热干扰，并且将各自用不同的冷却装置进行冷却。其结果，电力转换装置大型化。
本发明是鉴于这样的情况而完成的，其目的是抑制电力转换装置的大型化。
用于解决课题的方案
(1)本发明的一个方式是电力转换装置，具有：全固态电池；在所述全固态电池和负载之间进行电力转换的电力转换器；以及将所述全固态电池和所述电力转换器热耦合的热耦合部件。
(2)上述(1)的电力转换装置也可以具有第1电路基板，所述第1电路基板具有第1面、以及作为与所述第1面相反的面的第2面，全固态电池和所述电力转换器被组装在所述第1面上，所述热耦合部件被配置在所述第2面上。
(3)作为上述(2)的电力转换装置，所述电力转换器也可以具有逆变器以及升压转换器，从所述第1面的第1端部侧朝向第2端部侧，按照所述逆变器、所述升压转换器、所述全固态电池的顺序进行组装。
(4)作为上述(3)的电力转换装置，所述逆变器以及所述升压转换器中包含的开关元件也可以是宽带隙半导体的开关元件。
(5)作为从上述(2)至(4)任一项所述的电力转换装置，也可以具有：第1控制装置，监视所述全固态电池的状态；第2控制装置，控制所述电力转换器；以及第2电路基板，具有与所述第1面相对的第3面、以及作为与所述第3面相反的面的第4面，所述第1控制装置以位于所述全固态电池的上方的方式被组装在所述第3面以及所述第4面的至少任一个上，所述第2控制装置以位于所述电力转换器的上方的方式被组装在所述第3面以及所述第4面的至少任一个上。
(6)一种电驱动单元，其特征在于，具有：上述(2)至(5)的任一项所述的电力转换装置；以及作为所述负载的电动机，所述电动机通过与所述热耦合部件接触，与所述全固态电池以及所述电力转换器热耦合。
发明的效果
如以上说明的那样，按照本发明，可以抑制电力转换装置的大型化。
附图说明
图1是表示第1实施方式的电力转换装置1的侧面图的一个例子的图。
图2是表示第1实施方式的电力转换装置1的具体的结构的一个例子的图。
图3是第2实施方式的电力转换装置1B的侧面图。
图4是第3实施方式的电力转换装置1C的侧面图。
图5是表示本实施方式的第3实施方式的电力转换装置1C的变形例的图。
图6是第4实施方式的电驱动单元200的侧面图。
具体实施方式
以下，使用附图说明本实施方式的电力转换装置。
(第1实施方式)
图1是表示第1实施方式的电力转换装置1的侧面图的一个例子的图。图2是表示第1实施方式的电力转换装置1的具体结构的一个例子的图。电力转换装置1被安装在车辆上。所述车辆例如是混合动力汽车或电动汽车。
如图1所示，电力转换装置1具有：电池模块2、电力转换器3、电路基板4以及热耦合部件5。另外，电路基板4相当于本发明的“第1电路基板”。
电池模块2具有多个全固态电池20。全固态电池20是使用了不含有有机电解液的固态电解质的电池。全固态电池20与锂离子电池相比耐热温度(动作温度为额定上限)高。例如，相对于全固态电池20的耐热温度为150℃左右，锂离子电池的耐热温度为60℃左右。多个全固态电池20被组装在电路基板4上。
另外，在本实施方式中，电池模块2具有多个全固态电池20，但是不限于此，只要具有一个以上全固态电池20即可。即，电力转换装置1只要具有一个以上的全固态电池20即可，对于全固态电池20的个数不特别限定。
电力转换器3在电池模块2和负载之间进行电力转换。所谓负载，例如是上述车辆的行驶用的电动机。电力转换器3被组装在电路基板4上。
电力转换器3具有升压转换器31以及逆变器32。
升压转换器31将从多个全固态电池20输出的电力以规定的升压比进行升压而输出到逆变器32。但是，在本实施方式中，升压转换器31也可以还具有将从逆变器32输入的再生电力以规定的降压比进行降压而输出到多个全固态电池20的功能。
升压转换器31具有平滑电容器C、电抗器L、以及被相互串联地连接的开关元件T1、T2。平滑电容器C将从电池模块2输出的电压进行平滑。
电抗器L的一端被连接到电池模块2的输出端子(全固态电池20的正极端子)，另一端被连接到开关元件T1和开关元件T2的连接点。
开关元件T1、T2是半导体元件。对本实施方式的开关元件T1、T2是IGBT(InsulatedGate Bipolar Transistor；绝缘栅双极晶体管)的情况进行说明，但是本发明不限于此，例如，也可以是FET(Field Effective Transistor；场效应晶体管)等。开关元件T1、T2也可以是，SiC(碳化硅)或GaN(氮化镓)等宽带隙半导体的开关元件。
升压转换器31将开关元件T1、T2接通(ON)/关断(OFF)，通过交替地反复进行电抗器L的磁能量的蓄积以及释放，将从电池模块2输出的电力升压。升压转换器31将升压后的电力提供给逆变器32。另外，升压转换器31也可以具有将升压后的电压进行平滑的平滑用的电容器。
逆变器32将从升压转换器31输出的电力转换为交流电力而提供给电动机等负载。在本实施方式中，逆变器32为三相逆变器，具有与各相对应的三个开关分支。
逆变器32具有作为半导体元件的开关元件T11～T16。另外，作为开关元件T11～T16，可以是IGBT，也可以是FET。在逆变器32中设置的开关元件T11～T16中，开关元件T11、T14被串联连接而形成对，开关元件T12、T15被串联连接而形成对，开关元件T13、T16被串联连接而形成对。在形成对的开关元件T11～T16的连接点的每一个中，经由端子M被连接电动机的三相(U相、V相、W相)的线圈。
另外，开关元件T11～T16也可以是SiC或GaN等宽带隙半导体的开关元件。
电路基板4具有第1面4a、以及作为与第1面4a相反面的第2面4b。在电路基板4的第1面4a上组装有电池模块2以及电力转换器3。这样，电池模块2以及电力转换器3在电路基板4中被组装在同一面上。
具体地说，在电路基板4的第1面4a中，从第1端部侧朝向第2端部侧，按照逆变器32、升压转换器31、电池模块2的顺序进行组装。
在电路基板4的第2面4b上，配置有热耦合部件5。
热耦合部件5将电池模块2(多个全固态电池20)和电力转换器3进行热耦合。所谓热耦合，是以热的方式进行耦合的状态，在本实施方式中是在电池模块2和电力转换器3之间，热经由热耦合部件5进行移动的状态。热耦合部件5是热传导性高的材料，例如是铝、铁、铜等金属。例如，热耦合部件5是散热器。散热器是由铝等金属构成的大致直方体状的部件。另外，上述散热器也可以在内部具有一个以上的冷媒流通的冷媒流路R。由此，电池模块2以及电力转换器3的动作温度通过在冷媒流路R中流动的冷媒被控制在额定上限以下。
即，本实施方式的热耦合部件5是散热器，所以具有将电池模块2(多个全固态电池20)和电力转换器3进行热耦合的第1功能、以及将电池模块2和电力转换器3的发热进行冷却的第2功能。
另外，例如冷媒在从电路基板4的第1端部侧朝向第2端部侧的方向上流动。即，冷媒在冷媒流路R中，从电力转换器3朝向电池模块2流动。
这样，第1实施方式的电力转换装置1具有：具有全固态电池20的电池模块2、电力转换器3、将电池模块2和电力转换器3进行热耦合的热耦合部件5。
按照这样的结构，第1实施方式的电力转换装置1由于使用热耦合部件5使全固态电池20和电力转换器3热耦合，所以可以通过一个冷却装置将电池模块2和电力转换器3各自的动作温度控制在额定上限以下。其结果，电力转换装置小型化。
具体地说，在以往的电力转换装置中，用电动式风扇冷却电池模块的发热，用水冷系统冷却电力转换器。因此，在以往的电力转换装置中，为了冷却电池模块以及电力转换器的每一个，需要电动式风扇和水冷系统两个冷却装置。
另一方面，第1实施方式的电力转换装置1由全固态电池20构成电池模块2，使用散热器等热耦合部件5使全固态电池20和电力转换器3热耦合。由此，例如可以通过一个冷却装置控制全固态电池20和电力转换器3各自的温度。
这里，全固态电池20在高温中电池容量增大，高温下的寿命特性也比锂离子电池大幅度地提高。因此，第1实施方式的电力转换装置1通过使用散热器等热耦合部件5使全固态电池20和电力转换器3热耦合，使电力转换器3的热移动到全固态电池20，高效地加热全固态电池20。由此，第1实施方式的电力转换装置1可以最大限度地发挥全固态电池20的性能。
另外，第1实施方式的电力转换装置1将全固态电池20和电力转换器3组装在电路基板4的第1面4a上。例如，在电路基板4的第1面4a中，从第1端部侧朝向第2端部侧，按照逆变器32、升压转换器31、全固态电池20的顺序进行组装。由此，电力转换装置1与以往相比，可以缩短各部件的布线距离，有助于平滑电容器的削减和噪声的降低、装置的小型化。
(第2实施方式)
接着，说明第2实施方式的电力转换装置1B。图3是第2实施方式的电力转换装置1B的侧面图。
与第1实施方式的电力转换装置1相比，第2实施方式的电力转换装置1B在具有监视以及控制电池模块2的状态的第1控制装置7以及控制电力转换器3的第2控制装置8方面有所不同。另外，在附图中，对同一或者类似的部分附加同一标号，有时省略重复的说明。
具体地说，电力转换装置1B具有电池模块2、电力转换器3、电路基板4、热耦合部件5、控制用电路基板6、第1控制装置7以及第2控制装置8。另外，控制用电路基板6相当于本发明的“第2电路基板”。
控制用电路基板6具有与电路基板4的第1面4a相对的第3面6b、以及作为与所述第3面6b相反的面的第4面6a。第3面6b以及第4面6a是进行部件组装以及布线的面。另外，在第3面6b和第4面6a之间插入屏蔽层S。
第1控制装置7监视以及控制电池模块2的状态。具体地说，第1控制装置7具有电池监视部71以及充放电控制部72。
电池监视部71监视构成电池模块2的多个全固态电池20的状态(例如，输出电压)。电池监视部71具有多个IC(集成电路；integrated circuit)。电池监视部71被组装在控制用电路基板6的第3面6b上。电池监视部71在第3面6b中，以位于电池模块2的上方的方式进行组装。
充放电控制部72控制构成电池模块2的多个全固态电池20的充放电。例如，充放电控制部72是电池ECU(Electronic Control Unit，电子控制单元)。充放电控制部72被组装在控制用电路基板6的第4面6a上。充放电控制部72在第4面6a中，以位于电池模块2的上方的方式进行组装。
但是，不限于此，电池监视部71以及充放电控制部72只要被组装在第3面6b以及第4面6a的至少任一面上即可。
第2控制装置8具有驱动电路81以及控制部82。
驱动电路81具有驱动开关元件T11～T16的栅极驱动器。另外，驱动电路81具有驱动开关元件T1、T2的栅极驱动器。驱动电路81被组装在控制用电路基板6的第3面6b上。驱动电路81在第3面6b中，以位于电力转换器3的上方的方式进行组装。
控制部82控制驱动电路81的驱动，对开关元件T11～T16以及开关元件T1、T2进行开关控制。控制部82例如是具有微计算机的所谓电动机ECU。控制部82被组装在控制用电路基板6的第4面6a上。控制部82在第4面6a中，以位于电力转换器3的上方的方式进行组装。
但是，不限于此，驱动电路81以及控制部82只要被组装在第3面6b以及第4面6a的至少任一面上即可。
这样，第2实施方式的电力转换装置1B与第1实施方式同样，具有：具有全固态电池20的电池模块2、电力转换器3、将电池模块2和电力转换器3热耦合的热耦合部件5。
按照这样的结构，第2实施方式的电力转换装置1B因为使用热耦合部件5使全固态电池20和电力转换器3热耦合，所以可以通过一个冷却装置将电池模块2和电力转换器3的每一个的动作温度控制在额定上限以下。其结果，电力转换装置小型化。进而，第2实施方式的电力转换装置1B通过使用散热器等热耦合部件5使全固态电池20和电力转换器3热耦合，使电力转换器3的热移动到全固态电池20，高效地加热全固态电池20。由此，第2实施方式的电力转换装置1B可以最大限度地发挥全固态电池20的性能。
另外，第2实施方式的电力转换装置1B将全固态电池20和电力转换器3组装在电路基板4的第1面4a上。例如，在电路基板4的第1面4a中，从第1端部侧朝向第2端部侧，按照逆变器32、升压转换器31、全固态电池20的顺序进行组装。进而，第1控制装置7以位于全固态电池20的上方的方式在第3面6b以及所述第4面6a的至少任一个上进行组装。第2控制装置8以位于电力转换器3的上方的方式在第3面6b以及第4面6a的至少任一个上进行组装。由此，与以往相比，电力转换装置1B可以缩短各部件的配线距离，有助于平滑电容器的削减和噪声的降低、装置的小型化。
(第3实施方式)
接着，说明第3实施方式的电力转换装置1C。图4是第3实施方式的电力转换装置1C的侧面图。
与第1实施方式的电力转换装置1相比，第3实施方式的电力转换装置1C在具有热源设备100方面有所不同。另外，在附图中，对同一或者类似的部分附加同一标号，有时省略重复的说明。
具体地说，电力转换装置1C具有电池模块2、电力转换器3、电路基板4、热耦合部件5、电路基板10以及热源设备100。
热耦合部件5的第1面5a与电路基板4的第2面4b接触，第2面5b与电路基板10接触。
电路基板10具有第1面10a、以及作为与第1面10a相反的面的第2面10b。在电路基板10的第1面10a，接触热耦合部件5的第2面5b。在电路基板10的第2面10b组装有热源设备100。
热源设备100是电力转换器3以及电池模块2以外的热源设备，例如是DCDC转换器(例如，降压转换器)或将电池模块2充电的充电设备。
如上述那样，第3实施方式的电力转换装置1C具有：具有全固态电池20的电池模块2、电力转换器3、以及将电池模块2和电力转换器3热耦合的热耦合部件5。
按照这样的结构，第3实施方式的电力转换装置1C可以产生与第1实施方式同样的效果。
另外，第3实施方式的电力转换装置1C还具有热源设备100，经由热耦合部件5将电池模块2、电力转换器3以及热源设备100热耦合。
按照这样的结构，电力转换装置1C不需要将电池模块2、电力转换器3以及热源设备100的每一个通过不同的冷却装置进行冷却，而可以通过一个冷却装置进行冷却，有助于装置的小型化。
另外，在电力转换装置1C中，电池模块2以及电力转换器3不一定需要组装在同一面上。例如，如图5所示，电池模块2也可以组装在电路基板10的第2面10b上。
(第4实施方式)
接着，说明第4实施方式的电驱动单元200。图6是电驱动单元200的概略结构图。另外，在附图中，对同一或者类似的部分附加同一标号，有时省略重复的说明。
电驱动单元200以电池模块2的电力驱动车辆的车轮。电驱动单元200一体地具有电力转换装置1、电动机201以及齿轮202。
电力转换装置1将电池模块2的电力通过电力转换器3升压并转换为交流电力，提供给电动机201。
电动机201是通过从电力转换装置1供给的电力进行旋转的行驶用电动机。电动机201被设置在热耦合部件5的第2面5b上。
齿轮202通过将电动机201的旋转力传递给上述车辆的车轮来驱动车轮。齿轮202被设置在热耦合部件5的第2面5b上。
第4实施方式的热耦合部件5使具有全固态电池20的电池模块2、电力转换器3以及电动机201热耦合。按照这样的结构，在第4实施方式中，可以通过一个冷却装置将电池模块2、电力转换器3以及电动机201的每一个的动作温度控制在额定上限以下。其结果，具有电力转换装置的电驱动单元200小型化。进而，电驱动单元200可以高效地将电动机201中产生的热传递给全固态电池20，可以最大限度地发挥全固态电池20的性能。
另外，在第4实施方式的电驱动单元200中，将全固态电池20和电力转换器3设置在热耦合部件5的第1面5a侧，电动机201被设置在热耦合部件5的第2面5b侧。由此，可以缩短电动机201和电力转换装置1的布线距离，有助于平滑电容器的削减和噪声的降低、装置的小型化。
以上，参照附图详细叙述了本发明的实施方式，但是具体的结构不限于该实施方式，还包含不脱离该发明的宗旨的范围的设计等。
(变形例1)第1实施方式的电力转换装置1、第2实施方式的电力转换装置1B以及第4实施方式的电驱动单元200也可以具有第3实施方式的热源设备100。例如，第1实施方式的电力转换装置1也可以在热耦合部件5的第2面5b中设置电路基板10，在该电路基板10上组装热源设备100。例如，第2实施方式的电力转换装置1B也可以在热耦合部件5的第2面5b中设置电路基板10，在该电路基板10上组装热源设备100。电驱动单元200也可以在热耦合部件5的第2面5b中设置电路基板10，在该电路基板10上组装热源设备100。
(变形例2)第1实施方式的电力转换装置1、第3实施方式的电力转换装置1C以及第4实施方式的电驱动单元200也可以具有在第2实施方式中说明的控制用电路基板6、第1控制装置7以及第2控制装置8。
(变形例3)在第1实施方式～第4实施方式中，热耦合部件5也可以不具有冷媒流路R。热耦合部件5只要是将全固态电池20和电力转换器3热耦合的部件即可，也可以不具有冷却能力。
(变形例4)在第1实施方式的电力转换装置1、第2实施方式的电力转换装置1B以及第4实施方式的电驱动单元200中，也可以将电力转换器3设置在热耦合部件5的第1面5a侧，将电池模块2设置在热耦合部件5的第2面5b侧。即，电力转换装置1、电力转换装置1B以及电驱动单元200也可以具有通过电池模块2和电力转换器3从两面夹持热耦合部件5的结构。
(变形例5)在第1实施方式～第4实施方式中，电池模块2和电力转换器3在分别与热耦合部件5热耦合时，经由电路基板，但是不限于此。即，电池模块2也可以与热耦合部件5的第1面5a或者第2面5b直接接触。电力转换器3也可以与热耦合部件5的第1面5a或者第2面5b直接接触。
工业可利用性
按照上述的电力转换装置，可以抑制电力转换装置的大型化。
标号说明
1，1B，1C 电力转换装置
2 电池模块
3 电力转换器
4 电路基板(第1电路基板)
5 热耦合部件
6 控制用电路基板(第2电路基板)
20 全固态电池
31 升压转换器
32 逆变器
T1，T2 开关元件
T11～T16 开关元件
200 电驱动单元
201 电动机

Claims (6)

1.一种电力转换装置，具有：
全固态电池；
电力转换器，在所述全固态电池和负载之间进行电力转换；以及
热耦合部件，将所述全固态电池和所述电力转换器热耦合。
2.如权利要求1所述的电力转换装置，
所述电力转换装置具有第1电路基板，所述第1电路基板具有第1面、以及作为与所述第1面相反的面的第2面，
全固态电池和所述电力转换器被组装在所述第1面上，
所述热耦合部件被配置在所述第2面上。
3.如权利要求2所述的电力转换装置，
所述电力转换器具有逆变器以及升压转换器，
从所述第1面的第1端部侧朝向第2端部侧，按照所述逆变器、所述升压转换器、所述全固态电池的顺序进行组装。
4.如权利要求3所述的电力转换装置，
所述逆变器以及所述升压转换器中包含的开关元件是宽带隙半导体的开关元件。
5.如权利要求2至4的任意一项所述的电力转换装置，具有：
第1控制装置，监视所述全固态电池的状态；
第2控制装置，控制所述电力转换器；以及
第2电路基板，具有与所述第1面相对的第3面、以及作为与所述第3面相反的面的第4面，
所述第1控制装置以位于所述全固态电池的上方的方式被组装在所述第3面以及所述第4面的至少任一个上，
所述第2控制装置以位于所述电力转换器的上方的方式被组装在所述第3面以及所述第4面的至少任一个上。
6.一种电驱动单元，具有：
权利要求2至5的任意一项所述的电力转换装置；以及
作为所述负载的电动机，
所述电动机通过与所述热耦合部件接触，与所述全固态电池以及所述电力转换器热耦合。
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