JP2005073392A - 電源装置およびそれを搭載した自動車 - Google Patents

Abstract

【課題】 振動源となるリアクトルからの騒音が外部へ伝搬するのを抑制可能な電源装置およびこのような電源装置を搭載した自動車を提供する。
【解決手段】 リアクトル２２０を含む電源ユニットは、ＰＣＵケース３００に格納される。ＰＣＵケース３００の内壁面には、リアクトル２２０を固定可能な形状で一体的に成形された突出部３０１が設けられる。リアクトル２２０は、ＰＣＵケース３００の底面の突出部３０１で囲まれた領域に据え付けられる。さらに、リアクトル固定カバー３１０は、突出部３０１に対して固定されて、リアクトル２２０がＰＣＵケース３００本体と密接するような押しつけ力をリアクトル２２０に与える。
【選択図】 図５

Description

この発明は、振動源となるリアクトルを含む電源装置およびそれを搭載した自動車に関する。

電源装置に設けられるリアクトルは、必要なインダクタンスを確保するために大型化する傾向にある。したがって、電源装置の小型化のためにはリアクトルを効率的に配置することが求められる。たとえば、リアクトルを変圧器ケース内に収納して小型化および軽量化を図る技術が開示されている（特開平６−３０２４４４号公報）。
特開平６−３０２４４４号公報 特開平１−２９１４１２号公報

しかしながら、特開平６−３０２４４４号公報に開示された技術では、リアクトルが振動源となる場合、この振動による騒音が外部へ伝搬するのを抑制できないという問題点がある。

そこで、この発明は、かかる問題を解決するためになされたものであり、その目的は、振動源となるリアクトルからの騒音が外部へ伝搬するのを抑制可能な電源装置およびこのような電源装置を搭載した自動車を提供することである。

この発明による電源装置は、電源ユニットと、格納ケースと、リアクトルを格納ケースに密接させるための手段とを備える。電源ユニットは、リアクトルを含む。格納ケースは、電源ユニットを格納するために設けられ、リアクトルを格納可能な形状で内壁側に一体的に設けられた突出部を含む。突出部によって格納されたリアクトルは、格納ケースに密接される。

好ましくは、リアクトルを格納ケースに密接させるための手段は、リアクトル固定カバーを含み、リアクトル固定カバーは、突出部に対して固定され、かつ、リアクトルが格納ケースと密接するような押しつけ力をリアクトルに与える。

また好ましくは、突出部は、格納ケースの底面に設けられ、かつ、リアクトルを固定可能なようにリアクトルに合わせた形状および寸法を有し、リアクトルは、自身の重量によって格納ケースに密接する。

あるいは好ましくは、電源ユニットは、半導体スイッチング素子をさらに含み、リアクトルには、前記半導体スイッチング素子によってスイッチングされた電流が流される。

さらに好ましくは、突出部によって格納されたリアクトルは、樹脂によってモールドされる。

またさらに好ましくは、電源装置は、格納ケースのリアクトルが格納される領域の外壁側に配設された冷媒通路をさらに備える。

この発明による自動車は、請求項１から６のいずれか１項に記載の電源装置と、二次電池で構成された直流電源と、少なくとも１つの車輪を駆動可能な交流モータとを備え、電源装置は、直流電源によって供給される直流電力と、交流モータの駆動を制御する交流電力との間の電力変換を行なう。

この発明による電源装置は、振動源となるリアクトルを格納ケースに密接させるので、リアクトルに生じた振動を格納ケース全体に伝達させることができる。したがって、振動の対象となる質量を増加させて振動量を抑制できるので、振動による騒音を軽減することができる。また、リアクトルでの発熱の大部分が格納ケースに直接伝達されるので、リアクトルの放熱性についても確保できる。

また、格納ケースに設けられた突出部を、格納ケースの底面にリアクトルを固定可能なように、リアクトルに合わせた形状および寸法とすることによって、リアクトルの固定カバーを設けることなく、リアクトルの振動による騒音を軽減することができる。

特に、半導体スイッチング素子によってスイッチングされた電流が流されるリアクトルに生じる振動による騒音を軽減することができる。

あるいは、樹脂によってリアクトルをモールドするので、リアクトルの振動に起因する騒音の抑制および放熱性の向上をさらに図ることができる。

さらに、格納ケースの外壁側に、リアクトルが格納される領域に合わせて冷媒通路を設けることにより、リアクトルでの発熱をさらに効率的に放熱できる。

この発明による自動車は、上記のこの発明による電源装置を搭載して、車輪駆動用の交流モータを駆動制御するので、リアクトルの振動による騒音を軽減して、室内の快適性を向上できる。

この発明の実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、図中の同一または相当部分については、同一符号を付してその説明は繰り返さない。

図１は、この発明による電源装置を搭載した自動車の一例として示されるハイブリッド自動車の構成を示す概略ブロック図である。

図１を参照して、この発明の実施の形態によるハイブリッド自動車１００は、バッテリ１０と、ＰＣＵ（Power Control Unit）２０と、動力出力装置３０と、ディファレンシャルギア（ＤＧ：Differential Gear）４０と、前輪５０Ｌ，５０Ｒと、後輪６０Ｌ，６０Ｒと、フロントシート７０Ｌ，７０Ｒと、リアシート８０とを備える。

バッテリ１０は、リアシート８０の後方部に配置される。そして、バッテリ１０は、ＰＣＵ２０に電気的に接続される。ＰＣＵ２０は、たとえば、フロントシート７０Ｌ，７０Ｒの下部領域、すなわちフロア下領域を利用して配置される。動力出力装置３０は、ダッシュボード９０よりも前側のエンジンルームに配置される。ＰＣＵ２０は、動力出力装置３０と電気的に接続される。動力出力装置３０は、ＤＧ４０と連結される。

「直流電源」であるバッテリ１０は、たとえば、ニッケル水素またはリチウムイオン等の二次電池から成り、直流電圧をＰＣＵ２０へ供給するとともに、ＰＣＵ２０からの直流電圧によって充電される。

ＰＣＵ２０は、バッテリ１０からの直流電圧を昇圧し、その昇圧した直流電圧を交流電圧に変換して動力出力装置３０に含まれるモータジェネレータを駆動制御する。また、ＰＣＵ２０は、動力出力装置３０に含まれるモータジェネレータが発電した交流電圧を直流電圧に変換してバッテリ１０を充電する。すなわち、ＰＣＵ２０は、バッテリ１０によって供給される直流電力と、モータジェネレータを駆動制御する交流電力との間での電力変換を行なう「電源装置」に相当する。

動力出力装置３０は、エンジンおよび／またはモータジェネレータによる動力をＤＧ４０を介して前輪５０Ｌ，５０Ｒに伝達して前輪５０Ｌ，５０Ｒを駆動する。また、動力出力装置３０は、前輪５０Ｌ，５０Ｒの回転力によって発電し、その発電した電力をＰＣＵ２０へ供給する。このように、モータジェネレータＭ１は少なくとも１つの車輪を駆動可能な「交流モータ」としての役割を果たす。

ＤＧ４０は、動力出力装置３０からの動力を前輪５０Ｌ，５０Ｒに伝達するとともに、前輪５０Ｌ，５０Ｒの回転力を動力出力装置３０へ伝達する。

図２は、図１に示されたＰＣＵ２０の主要部を示す電気回路図である。

図２を参照して、ＰＣＵ２０は、昇圧チョッパであるコンバータ２１０と、平滑コンデンサ２４０と、インバータ２５０とを含む。コンバータ２１０は、リアクトル２２０および昇圧パワーモジュール２３０を有する。

昇圧パワーモジュール２３０は、トランジスタＱ１，Ｑ２とダイオードＤ１，Ｄ２とを含む。トランジスタＱ１，Ｑ２は、電源ライン２０３とアースライン２０２との間に直列に接続される。トランジスタＱ１は、コレクタが電源ライン２０３に接続され、エミッタがトランジスタＱ２のコレクタに接続される。トランジスタＱ２のエミッタはアースライン２０２に接続される。また、各トランジスタＱ１，Ｑ２のコレクタ−エミッタ間には、エミッタ側からコレクタ側へ電流を流すようにダイオードＤ１，Ｄ２がそれぞれ接続されている。

リアクトル２２０は、一方端が電源ライン２０１に接続され、他方端がトランジスタＱ１とトランジスタＱ２との間、すなわち、トランジスタＱ１のエミッタとトランジスタＱ２のコレクタとの間に接続される。平滑コンデンサ２４０は、電源ライン２０３とアースライン２０２との間に接続される。

インバータ２５０は、Ｕ相アーム２５３、Ｖ相アーム２５４およびＷ相アーム２５５からなる。Ｕ相アーム２５３、Ｖ相アーム２５４およびＷ相アーム２５５は、電源ライン２０３とアースライン２０２との間に並列に接続される。Ｕ相アーム２５３は、直列に接続されたトランジスタＱ３，Ｑ４からなり、Ｖ相アーム２５４は、直列に接続されたトランジスタＱ５，Ｑ６からなり、Ｗ相アーム２５５は、直列に接続されたトランジスタＱ７，Ｑ８からなる。また、各トランジスタＱ３〜Ｑ８のコレクタ−エミッタ間には、エミッタ側からコレクタ側へ電流を流すダイオードＤ３〜Ｄ８がそれぞれ接続されている。

各相アームの中間点は、モータジェネレータＭ１の各相コイルの各相端に接続されている。すなわち、モータジェネレータＭ１は、３相の永久磁石モータであり、Ｕ，Ｖ，Ｗ相の３つのコイルの一端が中点に共通接続されて構成され、Ｕ相コイルの他端がトランジスタＱ３，Ｑ４の中間点に、Ｖ相コイルの他端がトランジスタＱ５，Ｑ６の中間点に、Ｗ相コイルの他端がトランジスタＱ７，Ｑ８の中間点にそれぞれ接続されている。

コンバータ２１０は、電源ライン２０１とアースライン２０２との間にバッテリ１０から供給された直流電圧を受け、トランジスタＱ２がスイッチング制御されることにより直流電圧を昇圧して電源ライン２０３へ出力する。平滑コンデンサ２４０は、電源ライン２０３の直流電圧を平滑化してインバータ２５０へ供給する。インバータ２５０は、電源ライン２０３の直流電圧を交流電圧に変換してモータジェネレータＭ１を駆動する。

また、インバータ２５０は、モータジェネレータＭ１が発電した交流電圧を直流電圧に変換して平滑コンデンサ２４０に供給する。平滑コンデンサ２４０は、モータジェネレータＭ１からの直流電圧を平滑化してコンバータ２１０へ供給する。コンバータ２１０は、平滑コンデンサ２４０からの直流電圧を降圧してバッテリ１０等へ供給する。

このように、ＰＣＵ２０は、バッテリ１０からの直流電圧を昇圧してモータジェネレータＭ１を駆動するとともに、モータジェネレータＭ１が発電した電力をバッテリ１０等へ供給する。

図３は、図２に示されたリアクトル２２０の斜視図である。

図３を参照して、リアクトル２２０は、コア２２１と、コイル２２２とを含む。コア２２１は、直線部２２１０，２２１２と、湾曲部２２１１，２２１３とからなる。コイル２２２の両端２２９ａ，２２９ｂは、たとえば図２で説明したように他の電気素子と接続される。

湾曲部２２１１は、直線部２２１０との間にギャップ２２３を有し、直線部２２１２との間にギャップ２２４を有する。湾曲部２２１３は、直線部２２１２との間にギャップ２２５を有し、直線部２２１０との間にギャップ２２６を有する。コイル２２２は、直線部２２１０，２２１２に巻回される。

直流電流が矢印で示す方向にコイル２２２を流れると、磁束がコア２２１中で発生し、その発生した磁束は、ギャップ２２３を矢印２２７の方向に通過して湾曲部２２１１を伝搬する。そして、磁束は、ギャップ２２４を矢印２２８の方向に通過して直線部２２１２を伝搬し、ギャップ２２５を矢印２２８の方向に通過する。磁束は、さらに、湾曲部２２１３を伝搬し、ギャップ２２６を矢印２２７の方向に通過する。このように、直流電流がコイル２２２に流れると、磁束は、コア２２１中を循環する。

ＰＣＵ２０がモータジェネレータＭ１を駆動するとき、昇圧パワーモジュール２３０のトランジスタＱ２は、図２で説明したようにオン／オフされる。そして、トランジスタＱ２がオンされると、電源ライン２０１、リアクトル２２０、トランジスタＱ２、アースライン２０２およびバッテリ１０からなる閉回路に直流電流が流れる。そして、磁束がリアクトル２２０のコア２２１に発生し、湾曲部２２１１，２２１３は、直線部２２１０，２２１２の方向へ引かれる。また、トランジスタＱ２がオフされると、磁束がコア２２１に発生しないので、湾曲部２２１１，２２１３は、直線部２２１０，２２１２から引力を受けない。

したがって、トランジスタＱ２がオン／オフされると、リアクトル２２０のコア２２１の湾曲部２２１１，２２１３は、直線部２２１０，２２１２の方向へ移動したり、元の位置に戻ったりして振動する。このように、トランジスタによってスイッチングされた高周波電流が通過するリアクトル２２０は、振動源となる。

図４は、図１に示されたＰＣＵ（電源装置）の平面レイアウトを示す概念図である。

図４を参照して、ＰＣＵ２０の主要部を構成する「電源ユニット」に相当する、リアクトル２２０、昇圧パワーモジュール２３０、平滑コンデンサ２４０およびインバータ２５０（パワーモジュール）は、「格納ケース」として設けられるＰＣＵケース３００内に格納される。さらに、図２に示した接続関係を実現するように、電源ライン２０１，２０３およびアースライン２０２が適宜配置される。

図５は、この発明によるリアクトル２２０の配置構造を説明するための図４におけるＶ−Ｖ断面図である。

図５を参照して、ＰＣＵ２０の構成要素を格納するためのＰＣＵケース３００を覆う様にＰＣＵアッパーカバー３０５が設けられる。ＰＣＵケース３００およびＰＣＵアッパーカバー３０５は、溶接によって、あるいは図示しないネジ等の固定部材によって固定される。

ＰＣＵケース３００の内壁面には、リアクトル２２０を格納可能な形状で突出部３０１が設けられる。ＰＣＵケース３００は、内壁面に突出部３０１が一体的に成形されるように、アルミ等の金属鋳物として作製される。ＰＣＵアッパーカバー３０５は、たとえばアルミプレスによって形成される。

リアクトル２２０は、ＰＣＵケース３００の底面の突出部３０１で囲まれた領域に据え付けられる。なお、突出部３０１は、連続的な形状で設けることが好ましいが、リアクトル２２０を固定可能であれば複数の非連続な突出部３０１を設けることもできる。

さらに、リアクトル２２０をＰＣＵケース３００本体と密接させるためのリアクトル固定カバー３１０が設けられる。リアクトル固定カバー３１０は、ネジ３２０，３２１によって突出部３０１に対して固定されて、リアクトル２２０がＰＣＵケース３００本体と密接するような押しつけ力をリアクトル２２０に与える。

リアクトル固定カバー３１０には、リアクトルコイルの両端２２９ａ，２２９ｂに相当する電極を取出すための開口部が設けられている。この開口部から取出されたリアクトルコイルの両端２２９ａ，２２９ｂは、図２に示したように、ＰＣＵケース３００内に配置された電源ライン２０３および昇圧パワーモジュール２３０と接続される（図示せず）。さらに、詳細な固定構造の説明は省略するが、ＰＣＵケース３００はボディへ固定される。

ＰＣＵケースの外壁面の少なくとも一部には冷却フィン３３０が設けられ、冷却フィン３３０および他のケース等の平坦部３５０との間には、冷却水等の冷媒が流される冷媒通路３４０が形成される。冷媒通路３４０を、リアクトル２２０が配置される領域の外壁面に設けることにより、リアクトル２２０での発熱を効率的に放熱できる。

ここで、比較のために、リアクトル２２０をＰＣＵケース３００の外部に固定する配置構造について図６を用いて説明する。

図６を参照して、リアクトル２２０は、リアクトルケース４００およびリアクトルケースカバー４１０の中に樹脂３６０によってモールドされる。リアクトルケース４００およびリアクトルケースカバー４１０は、ＰＣＵケース３００の外側にネジ４２１，４２０によって固定される。リアクトルコイルの両端２２９ａ，２２９ｂをＰＣＵケース３００内に取出すことにより、リアクトル２２０をこのように配置としても、図２に示した電気回路を構成することが可能である。

しかしながら、図６に示したリアクトル配置構造では、リアクトル２２０に生じた振動をＰＣＵケース３００全体に伝達させることができず、振動の対象となる質量が小さいので振動量が大きくなり、振動による騒音も大きくなってしまう。また、リアクトル２２０での発熱の大部分が樹脂３６０を介して冷媒通路３４０へ伝達されるので、リアクトル２２０の放熱性を確保することも難しい。

再び図５を参照して、この発明の実施の形態によるリアクトル配置では、リアクトル２２０をＰＣＵケース３００本体と直接密接させることにより、リアクトル２２０に生じた振動をＰＣＵケース３００全体に伝達させることができる。ＰＣＵケース３００は質量が大きく、さらにより質量の大きいボディに対して固定されているので、振動の対象となる全質量を増加させて振動量を抑制できる。このため、振動による騒音についても軽減することができる。

また、リアクトル２２０での発熱の大部分が、冷媒通路３４０によって冷却されるＰＣＵケース３００に直接伝達されるので、リアクトル２２０の放熱性についても確保できる。

さらに、突出部３０１を連続的な形状で設けた場合には、リアクトル２２０および突出部３０１の隙間に、ポッティング材と呼ばれる熱硬化性の樹脂３６０を充填して、リアクトル２２０をモールドすることが好ましい。この際に、樹脂３６０として熱伝導率の高い材質を用いれば、リアクトル２２０の放熱性をさらに高めることができる。あるいは、弾性率の小さい柔らかい材質を用いれば、リアクトル２２０からの騒音をさらに抑制できる。

また、図６に示したリアクトル配置構造のようにＰＣＵケース３００の下側にリアクトルケース４００を設けることがないので、インダクタの防音性および放熱性の確保に加えて、フロア下の領域等の高さ方向制約が厳しい領域への配置に適した構造とすることができる。

あるいは、図７に示されるように、リアクトル２２０の形状に合わせて突出部３０１の形状および寸法を設計して、リアクトル固定カバー３１０を設けることなくリアクトル２２０をＰＣＵケース３００の底面に固定する構成とすることもできる。この場合には、リアクトル２２０は、自重によってＰＣＵケース３００と密接される。このような構成としても、図５に示した配置と同様に、リアクトル２２０からの騒音抑制および放熱性の確保が実現できる。なお、図７に示した配置において、さらに、リアクトル固定カバー３１０の配置および樹脂３６０によるモールドを行なって、騒音の抑制および放熱性の向上をさらに図ることも可能である。

なお、この実施の形態では、振動源となるリアクトルとして昇圧チョッパ（コンバータ）内のリアクトル２２０を代表的に例示して、その配置構造について説明した。しかしながら、この発明の適用はこのような場合に限定されるものではなく、スイッチングされた電流の通過等によって振動源となるリアクトルについて共通に上記の配置構造を適用することが可能である。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

この発明による電源装置を搭載した自動車の一例として示されるハイブリッド自動車の構成を示す概略ブロック図である。 図１に示されたＰＣＵ（電源装置）の主要部を示す電気回路図である。 図２に示されたリアクトルの斜視図である。 図１に示されたＰＣＵ（電源装置）の平面レイアウトを示す概念図である。 この発明によるリアクトルの配置構造例を説明するための、図４におけるＶ−Ｖ断面図である。 比較例として示されるリアクトルの他の配置構造を説明する図である。 この発明によるリアクトルの配置構造の他の例を説明する図である。

符号の説明

１０ バッテリ、５０Ｌ，５０Ｒ 前輪、６０Ｌ，６０Ｒ 後輪、８０ リアシート、１００ ハイブリッド自動車、２００ リアクトル、２０１，２０３ 電源ライン、２０２ アースライン、２１０ コンバータ、２２０ リアクトル、２３０ 昇圧パワーモジュール、２４０ 平滑コンデンサ、２５０ インバータ、３００ ＰＣＵケース、３０１ 突出部、３０５ アッパーカバー、３１０ リアクトル固定カバー、３３０ 冷却フィン、３４０ 冷媒通路、３６０ 樹脂、４００ リアクトルケース、４１０ リアクトルケースカバー、３２０，３２１，４２１，４２０ ネジ、Ｍ１ モータジェネレータ、Ｑ１〜Ｑ８ トランジスタ。

Claims (7)

1. リアクトルを含む電源ユニットと、
   前記電源ユニットを格納するための格納ケースとを備え、
   前記格納ケースは、前記リアクトルを格納可能な形状で内壁側に一体的に設けられた突出部を含み、
   前記突出部によって格納された前記リアクトルを前記格納ケースに密接させるための手段をさらに備える、電源装置。
2. 前記リアクトルを前記格納ケースに密接させるための手段は、前記突出部に対して固定され、かつ、前記リアクトルが前記格納ケースと密接するような押しつけ力を前記リアクトルに与えるためのリアクトル固定カバーを含む、請求項１記載の電源装置。
3. 前記突出部は、前記格納ケースの底面に設けられ、かつ、前記リアクトルを固定可能なように前記リアクトルに合わせた形状および寸法を有し、
   前記リアクトルは、自身の重量によって前記格納ケースに密接する、請求項１記載の電源装置。
4. 前記電源ユニットは、半導体スイッチング素子をさらに含み、
   前記リアクトルには、前記半導体スイッチング素子によってスイッチングされた電流が流される、請求項１記載の電源装置。
5. 前記突出部によって格納された前記リアクトルは、樹脂によってモールドされる、請求項１から４のいずれか１項に記載の電源装置。
6. 前記格納ケースの、前記リアクトルが格納される領域の外壁側に配設された冷媒通路をさらに備える、請求項１から５のいずれか１項に記載の電源装置。
7. 請求項１から６のいずれか１項に記載の電源装置と、
   二次電池で構成された直流電源と、
   少なくとも１つの車輪を駆動可能な交流モータとを備え、
   前記電源装置は、前記直流電源によって供給される直流電力と、前記交流モータを駆動制御する交流電力との間の電力変換を行なう、自動車。

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