JP2005151712A - 電力供給システム - Google Patents

Abstract

【課題】電気自動車の走行用モータを交流駆動する際に、給電ラインで生ずるノイズの低減を図ること。
【解決手段】電気自動車の走行用モータ１４は、インバータ制御により３相交流で駆動される。直流を３相交流に変換するパワーモジュール部３０と、パワーモジュール部３０の制御を行うインバータ制御部２０とを分離し、バッテリ１０やコンバータ１２とパワーモジュール部３０とを高圧ケーブル４３で接続し、パワーモジュール部３０をモータ１４に一体化する。コンバータ１２からパワーモジュール部３０に、直流電圧で給電を行う。
【選択図】図１

Description

この発明は、自動車用途等で用いられる電力供給システム、例えば、電気自動車のモータに高電圧で電力を供給するシステムに関する。

例えば、ハイブリッド自動車システムにおいて、バッテリの電圧を昇圧して、モータを制御するインバータに供給する技術は、従来より知られている。

図９は、電気自動車における高電圧電力供給システムの電気的な接続関係及び配置関係を示すブロック図である。

同図に示すように、このシステムは、バッテリ１００と。コンバータ１０２と、インバータ１１０と、モータ１０４とを備えている。

これらバッテリ１００、コンバータ１０２、インバータ１１０及びモータ１０４は、高圧ケーブルにより接続されている。これら各機器間を接続する高圧ケーブルとしては、例えば、中心導体が２０sq、絶縁層が１．１ｍｍの電子線架橋ポリエステル、その外側がシールド線、最外層が０．６ｍｍ塩化ビニルであるものが用いられる。シールド層は、ノイズ防止用のために設けられており、例えば、０．３２ｍｍの細径線を編んだ編組線や、アルミ等の金属箔を巻付けることで、構成されている。

この高電圧電力供給システムでは、概略的に、バッテリ１００からの供給電圧がコンバータ１０２で昇圧されてインバータ１１０に供給される。インバータ１１０では、電気自動車の運転状況等に応じて、モータ１０４の駆動に必要な３相交流を発生させ、これをモータ１０４に供給する。これにより、モータ１０４が回転駆動するようになっている。

図１０は、インバータ１１０の電気的構成を示すブロック図である。

すなわち、従来用いられていたインバータ１１０は、直流から３相交流を発生させるスイッチング回路１１２と該スイッチング回路１１２の各スイッチング素子の駆動を制御するための制御回路部１１４とが一体化された構成とされていた。そして、このインバータ１１０で発生された３相交流が、３本の高圧ケーブル１０８Ｕ，１０８Ｖ，１０８Ｗを介してモータ１０４に供給されるようになっていた。

図１１（ａ）〜図１１（ｃ）は、高電圧電力供給システムの冷却機構を示す概略図である。

まず、図１１（ａ）に示すように、バッテリ１００は、空冷ファン１２０にて冷却されていた。この空冷ファン１２０は、例えば、バッテリ１００の給電を受けて駆動されている。そして、この空冷ファン１２０により、バッテリ１００内部の熱せられた空気を強制的に排除し新たにバッテリ１００外部からの冷温の空気を導入して冷却を行う。

また、図１１（ｂ）に示すように、コンバータ１０２とインバータ１１０とは自動車内において比較的近接して配置されており、水冷ポンプ１２２からコンバータ１０２及びインバータ１１０の放熱板近傍、さらにラジエター１２４を経て水冷ポンプ１２２に戻る管路１２６が配管されている。そして、管路１２６内の水等の液体がコンバータ１０２及びインバータ１１０を冷却した後、ラジエター１２４で冷却されて再びコンバータ１０２及びインバータ１１０側に還流するようになっている。

さらに、図１１（ｃ）に示すように、モータ１０４周りに、液冷ポンプ１３０からモータ１０４のハウジング周り、さらに、ラジエター１３２を経て、液冷ポンプ１３０に戻る管路１３４が配管されている。そして、管路１３４内の水或は油等の液体が、モータ１０４を冷却した後、ラジエター１３２で冷却されて再びモータ１０４側に還流するようになっている。

しかしながら、上記高電圧電力供給システムでは、インバータ１１０とモータ１０４とが高圧ケーブル１０８Ｕ，１０８Ｖ，１０８Ｗで接続されているところ、これらの高圧ケーブル１０８Ｕ，１０８Ｖ，１０８Ｗには、モータ１０４を駆動するため、３相交流の高電圧が加えられることになる。そして、各高圧ケーブル１０８Ｕ，１０８Ｖ，１０８Ｗにおいて、電圧の変動に起因してノイズを発生させるという問題があった。このノイズは、他の機器（ラジオやテレビ等）に影響を与える。

そこで、この発明の課題は、所定の負荷を交流駆動する際に、ノイズの低減を図ることができる技術を提供することにある。

上記課題を解決すべく、請求項１記載の発明は、所定の負荷を交流駆動するための電力供給システムであって、負荷駆動用の交流電力を生成する交流電力生成手段と負荷とを一体化したものである。

請求項２記載の発明は、所定の負荷を交流駆動するための電力供給システムであって、直流電力を負荷駆動用の交流電力に変換する電力変換手段と、前記電力変換手段の変換動作を制御する制御手段と、前記電力変換手段からの交流電力の供給を受けて駆動する負荷と、を備え、前記電力変換手段と前記負荷とを一体化したものである。

請求項３記載の発明は、電気自動車に搭載される請求項２記載の電力供給システムであって、前記負荷は、前記電気自動車の走行用モータであるものである。

請求項４記載の発明は、前記電力変換手段を冷却するための第１冷却管と、前記負荷を冷却するための第２冷却管とが連結されている冷却機構をさらに備えたものである。

請求項５記載の発明は、直流電源からの電源電圧を昇圧して、前記電力変換手段に供給する昇圧手段をさらに備え、前記昇圧手段と前記制御手段とが一体化されているものである。

請求項６記載の発明は、直流電力の給電路に組込まれる平滑用のキャパシタを、前記電力変換手段に一体化したものである。

請求項１記載の電力供給システムによると、負荷駆動用の交流電力を生成する交流電力生成手段と負荷とを一体化しているため、交流電力用の給電路を可及的に短くすることができ、これにより、ノイズの低減を図ることができる。

この発明の請求項２記載の電力供給システムによると、電力変換手段と負荷とを一体化しているため、電力変換手段の手前までは直流で給電を行い、負荷の近傍で交流に変換することができ、従って、交流電力用の給電路を可及的に短くすることができ、これにより、ノイズの低減を図ることができる。

また、請求項３記載の発明によれば、電気自動車では多数の電気機器が密集して配設される傾向にあるので、上述のようなノイズ低減による効果が特に顕著である。

さらに、請求項４記載の発明によれば、冷却機構の第１冷却管と第２冷却管とが連結されているため、冷却機構を簡素化できる。

また、請求項５記載の発明によれば、昇圧手段と制御手段とが一体化されているため、構成のコンパクト化を図ることができる。

請求項６記載の発明によれば、平滑用のキャパシタによって、直流電力の給電路における電流の平準化を図り、もって、電流変動に起因するノイズを低減することができる。

以下、この発明の実施の形態に係る電力供給システムについて説明する。

なお、本実施の形態では、電力供給システムを、電気自動車（内燃機関と電気モータ等を適宜組合わせて動力とするハイブリッド電気自動車を含む）に適用した例について説明するが、その他、モーター等の負荷を交流駆動するものに適用できる。

図１は、電気自動車における高電圧の電力供給システムの電気的な接続関係及び配置関係を示すブロック図であり、図２は、インバータ制御部とパワーモジュール部との電気的構成を示すブロック図である。

この電力供給システムは、バッテリ１０と、コンバータ１２と、インバータ制御部２０と、パワーモジュール部３０と、モータ１４とを備えている。

バッテリ１０は、直流電力を供給する手段であり、２００Ｖ〜３００Ｖの直流電圧で電気を貯蔵し又は給電する。かかるバッテリ１０としては、例えば、ニッケル水素電池が用いられる。

コンバータ１２は、上記バッテリ１０に高圧ケーブル４２を介して接続されており、バッテリ１０からの供給電圧を昇圧する機能を持っている。昇圧は、例えば、コイルに流す電流をチョッピングしてその誘起電圧を利用したり、或は、チョッピングにより交流を発生し、これを昇圧トランスを利用して昇圧する等の構成で行われる。このコンバータ１２を利用するメリットは、例えば、供給電力が一定の場合に、供給電圧を昇圧させることで、電流を低く抑えることができることにある。このように、電流を低く抑えることで、電力供給用のケーブル導体径を細くでき、電力供給路の小型・軽量化等に貢献するからである。

インバータ制御部２０は、入力Ｉ／Ｆ回路２２と、ＣＰＵ２４と、出力Ｉ／Ｆ回路２６とを備えている。入力Ｉ／Ｆ回路２２は、自動車のアクセルやブレーキ、車速センサ等からの諸信号の入力を受付けるインターフェースであり、出力Ｉ／Ｆ回路２６は、後述するパワーモジュール部３０の各スイッチング素子３２ａ，３２ｂ，３２ｃ，３４ａ，３４ｂ，３４ｃへの駆動信号を出力するインターフェースである。そして、ＣＰＵ２４は、入力Ｉ／Ｆ回路２２を通じて入力される諸信号に基づいて所定の演算処理を行い、その演算結果に応じて、出力Ｉ／Ｆ回路２６を通じて各スイッチング素子３２ａ，３２ｂ，３２ｃ，３４ａ，３４ｂ，３４ｃをオンオフ制御する。すなわち、インバータ制御部２０は、パワーモジュール駆動信号線４１を介してパワーモジュール部３０の変換動作を制御する（詳細は後述する）。

なお、このインバータ制御部２０と上記コンバータ１２とは、データ通信線４０を通じて接続されており、インバータ制御部２０から上記コンバータ１２に対して、出力すべき電圧の指令を与える。コンバータ１２は、かかる電圧の指令に応じてバッテリ１０から供給電圧を所定の電圧に昇圧する。すなわち、インバータ制御部２０は、コンバータ１２の昇圧動作を制御する。

パワーモジュール部３０は、車両走行用の三相交流電動機であるモータ１４を駆動する三相インバータであり、上記コンバータ１２からの直流電力を負荷であるモータ１４駆動用の交流電力に変換する電力変換手段として機能する。このパワーモジュール部３０は、モータ１４に一体化されると共に、上記コンバータ１２に高圧ケーブル４３を介して接続されている。なお、パワーモジュール部３０をモータ１４に一体化する具体的構成については後に詳述する。

このパワーモジュール部３０は、モータ１４のＵ相、Ｖ相及びＷ相の各相におけるそれぞれのハイアーム側スイッチング素子３２ａ，３２ｂ，３２ｃ及び各相におけるそれぞれのローアーム側スイッチング素子３４ａ，３４ｂ，３４ｃとを備えている。ハイアーム側スイッチング素子３２ａ，３２ｂ，３２ｃ及びローアーム側スイッチング素子３４ａ，３４ｂ，３４ｃとしては、パワートランジスタの他、パワーＭＯＳＦＥＴやＩＧＢＴ、ＳｉＣ、ＧａＮ、Ｃなどの高温動作可能なワイドバンドギャップデバイスや等が用いられる。

ハイアーム側スイッチング素子３２ａ，３２ｂ，３２ｃのコレクタはプラス（＋）側電源Ｖ＋に共に接続され、同じくその各エミッタはそれぞれ同相のローアーム側スイッチング素子３４ａ，３４ｂ，３４ｃの各コレクタに接続されている。また、ローアーム側スイッチング素子３４ａ，３４ｂ，３４ｃのエミッタは共にマイナス（−）側Ｖ−に接続されている。

また、各スイッチング素子３２ａ，３２ｂ，３２ｃ，３４ａ，３４ｂ，３４ｃの制御入力端子であるベース端子は、パワーモジュール駆動信号線４１を通じて上記インバータ制御部２０の入力Ｉ／Ｆ回路２６に接続されている。そして、ＣＰＵ２４より与えられるオンオフ駆動信号に応じたタイミングで、各スイッチング素子３２ａ，３２ｂ，３２ｃ，３４ａ，３４ｂ，３４ｃがオンオフし、これにより所定の回転数に同期した３相交流が発生する。

さらに、ハイアーム側スイッチング素子３２ａ，３２ｂ，３２ｃの各エミッタとローアーム側スイッチング素子３４ａ，３４ｂ，３４ｃの各コレクタとの接続点が、モータ１４のＵ相、Ｖ相及びＷ相の各相に接続されており、発生した３相交流が、モータ１４に供給される。

モータ１４は、例えば、走行用の三相交流の同期電動機であり、上記パワーモジュール部３０からの３相交流の供給を受けて回転駆動する。

なお、モータ１４は、加速時や低速走行時等には駆動力を発生源として機能するが、減速時には発電器として機能する。そして、モータ１４で発生した電力は、インバータで整流され、コンバータ１２で電圧変換（降圧）されてバッテリ１０に蓄えられる。

図３は、電力供給システムにおける冷却機構の配置例を示す説明図である。

同図に示すように、バッテリ１０については、従来と同様にして、空冷を行う。すなわち、モータの駆動によりファンを回転させて、バッテリ１０の雰囲気空気を強制的に排除し、外部から常温の空気を吸入して、空冷を行う。

また、コンバータ１２については、水冷を行う。すなわち、コンバータ１２に含まれるパワートランジスタ等のパワーデバイスの放熱板近傍を通るように、冷却用の循環水路を形成して放熱を行う。

なお、インバータ制御部２０については、従来におけるインバータ１１０とは異なり、パワーデバイスを含むパワーモジュール部分が分離され、比較的発熱量の少ないＩ／Ｆ回路２２，２６やＣＰＵ２４が残った構成なので、水冷や強制空冷等の特別な冷却機構を組込む必要性は低い。

パワーモジュール部３０とモータ１４については、共通の冷却機構により冷却されている。

図４はパワーモジュール部３０をモータ１４に組付けた部分を示す一部破断側面図、図５は図４の要部拡大断面図、図６はパワーモジュール部３０をモータ１４に組付けた部分を示すモータ１４の背面図である。

これらの図に示すように、モータ１４のモータハウジング１４ｈの背面側に、第１ケーシング５０及び第２ケーシング５２とで構成されるケーシング５４が取付けられており、このケーシング５４に、パワーモジュール部３０及び後述するバスリング６０が組込まれている。

より具体的には、モータハウジング１４ｈの背面を覆うように略円盤状の第１ケーシング５０が取付けられると共に、さらにこの第１ケーシング５０の背面側を覆うように第２ケーシング５２が取付けられている。

バスリング６０は、例えば、環状の金属板材により構成されており、モータ１４の背面側にその周方向に沿って配設される。このバスリング６０は、ステータへの電気的接続、即ち、パワーモジュール部３０とモータ１４内のモータコイル間に介在して、パワーモジュール部３０において発生した３相交流を各モータコイルに分配接続する役割を果す。なお、このバスリング６０は、次述する収容凹部５４ａ内を通るように、ケーシング５４に組込まれている。

上記第２ケーシング５２には、スイッチング素子３２ａ，３２ｂ，３２ｃ，３４ａ，３４ｂ，３４ｃを収容するための収容凹部５４ａが形成されている。

収容凹部５４ａの内面には、スイッチング素子３２ａ，３２ｂ，３２ｃ，３４ａ，３４ｂ，３４ｃを実装した基板５６がねじ止等により固定されている。スイッチング素子３２ａ，３２ｂ，３２ｃ，３４ａ，３４ｂ，３４ｃの各端子は、バスリング６０やバスバ６２、外部からの信号線に適宜半田付けされている。

また、収容凹部５４ａ内には、スイッチング素子３２ａ，３２ｂ，３２ｃ，３４ａ，３４ｂ，３４ｃの表面に接触する態様にて、冷却管５７が配設されている。この冷却管５７は、ケーシング５４内に組込まれるスイッチング素子３２ａ，３２ｂ，３２ｃ，３４ｃ，３４ｂ，３４ａの表面に順次接触するように、取り回されている。図６では、３つのスイッチング素子３２ａ，３２ｂ，３２ｃがケーシング５４の外周部に沿って弧状に配設されると共に、この内周側に、他の３つのスイッチング素子３４ａ，３４ｂ，３４ｃが弧状に配設されており、このように弧状に２列に配列されたスイッチング素子３２ａ，３２ｂ，３２ｃ及びスイッチング素子３４ａ，３４ｂ，３４ｃのそれぞれの表面に接触するように、冷却管５７が略Ｕ字状に配設されている。なお、冷却管５７の両端部は、それぞれケーシング５４の適宜位置に開口して、それぞれ冷媒の入口或は出口とされている。

また、ケーシング５４には、高圧ケーブル４３を接続するための接続部５８が形成されている。

そして、高圧ケーブル４３の端部に露出した心線部を接続部５８にねじ止等することで、高圧ケーブル４３がバスバ６２を通じて所定のスイッチング素子３２ａ，３２ｂ，３２ｃ，３４ａ，３４ｂ，３４ｃの所定の端子に電気的に接続される。

さらに、ケーシング５４には、コネクタ５９が設けられている。そして、インバータ制御部２０からのパワーモジュール駆動信号線４１は、このコネクタ５９から適宜電線を介して所定のスイッチング素子３２ａ，３２ｂ，３２ｃ，３４ａ，３４ｂ，３４ｃの制御入力端子に電気的に接続される。

また、モータ１４のモータハウジング１４ｈの外周囲を適宜通過するようにして冷却管１５（図４に２点鎖線で示す）が設けられている。冷却管１５の両端部は、例えば、モータハウジング１４ｈの背面側の適宜位置に開口している。そして、上記冷却管５７の出口と冷却管１５の入口とが所定の配管５７ａを通じて連結されている（図６参照）。

さらに、このモータ１４の外周囲に、ポンプ等の圧送機構及びラジエータ等の放熱機構等が設けられており、圧送機構より送り出された水や油等の冷媒が冷却管５７を通ってスイッチング素子３２ａ，３２ｂ，３２ｃ，３４ａ，３４ｂ，３４ｃを冷却した後、冷却管１５に流れ込み、冷却管１５を通ってモータ１４を冷却し、この後、放熱機構で放熱冷却される（図５及び図６中の矢符参照）。冷媒がかかる経路を循環することで、パワーモジュール部３０及びモータ１４の冷却が行われる。なお、冷媒がパワーモジュール部３０を冷却するための冷却管５７を通ってからモータ１４を冷却するための冷却管１５に流れ込むようにしているのは、一般的に、スイッチング素子３２ａ，３２ｂ，３２ｃ，３４ａ，３４ｂ，３４ｃよりもモータ１４の方が、高い温度で動作可能であるため、先にスイッチング素子３２ａ，３２ｂ，３２ｃ，３４ａ，３４ｂ，３４ｃを冷却することで、能率的な冷却を行うためである。

以上のように構成された電力供給システムによると、パワーモジュール部３０とモータ１４とを一体化しているため、コンバータ１２とパワーモジュール部３０間では直流電圧で電力を送給し、パワーモジュール部３０とモータ１４間の交流電力用の給電路を可及的に短くすることができる。このため、電圧変化に起因するノイズの発生を低減できる。特に、電気自動車では、多数の電気機器が密集して配置されるところ、このようにノイズを低減できるメリットは大きい。

このようにノイズを低減できる結果、従来のように、編組層や半導層（樹脂にカーボン等の導電性フィラーを混合したもので、心線をシールドする層）等を含まない、比較的低コスト、細径、軽量な電線を用いることもできる。

また、パワーモジュール部３０とモータ１４とを一体化しているため、システム全体の小型化を図ることができる。

特に、パワーモジュール部３０をバスリング６０と共にケーシング５４に組込んでいるため、一層の小型化が可能となる。

また、パワーモジュール部３０を冷却するための冷却管５７と、モータ１４を冷却するための冷却管１５とが連結されているため、共通の圧送機構及び冷媒の放熱機構等を用いてパワーモジュール部３０及びモータ１４を冷却して冷却機構を簡素化、小型化及び軽量化することができる。

なお、図７に示す変形例のように、コンバータ１２とインバータ制御部２０とを一体化してもよい。一体化する形態としては、コンバータ１２を構成する回路基板を収容したケースと、インバータ制御部２０を構成する回路基板を収容したケースとを合体一体化した構成であってもよいし、それぞれの回路基板を直接単一のケース内に収容した形態であってもよい。

このようにコンバータ１２とインバータ制御部２０とを一体化することで、本システムのさらなるコンパクト化を図ることができる。

ところで、上記システムでは、コンバータ１２からパワーモジュール部３０に、直流電圧で給電を行うため、それらを接続する高圧ケーブル４３において、電源の出力インピーダンスやケーブル抵抗等に起因する多少の変化を除いて、基本的には電圧変化が無く、従って、電圧変動に起因するノイズについては抑制することができる。

しかしながら、３相交流に比べて低いとはいえ、電流の変化はある。そこで、図８に示す変形例のように、パワーモジュール部３０において、プラス（＋）側電源線Ｖ＋とマイナス（−）側電源線Ｖ−との間に、キャパシタとして大容量のコンデンサＣを介装し、電流の平準化を図るようにしてもよい。大容量コンデンサＣとしては、アルミ電解コンデンサを用いることが好ましいが、その他、電気２重層コンデンサ等を用いてもよい。

このコンデンサＣにより、モータ１４の出力を上昇させるために電流増加が必要なときに、このコンデンサＣに蓄えられている電荷を放電することでコンバータ１２からの電流増加を緩和させることができる。また、逆に、モータ１４の出力を低下させるときには、このコンデンサＣに電荷を蓄えることで、コンバータ１２側からの電流減少を緩和させることができる。

このコンデンサＣにより、電流の平準化が図られ、電流変動に起因して高圧ケーブル４３で発生するノイズを低減させることができる。

電気自動車における高電圧の電力供給システムの電気的な接続関係及び配置関係を示すブロック図である。 インバータ制御部とパワーモジュール部との電気的構成を示すブロック図である。 電力供給システムにおける冷却機構の配置例を示す説明図である。 パワーモジュール部をモータに組付けた部分を示す一部破断側面図である。 図４の要部拡大断面図である。 パワーモジュール部をモータに組付けた状態を示すモータの背面図である。 電力供給システムの変形例を示す図である。 電力供給システムの他の変形例を示す図である。 電気自動車における高電圧電力供給システムの電気的な接続関係及び配置関係を示すブロック図である。 インバータの電気的構成を示すブロック図である。 高電圧電力供給システムの冷却機構を示す概略図である。

符号の説明

１２ コンバータ
１５ 冷却管
１４ モータ
２０ インバータ制御部
３０ パワーモジュール部
３２ａ，３２ｂ，３２ｃ ハイアーム側スイッチング素子
３４ａ，３４ｂ，３４ｃ ローアーム側スイッチング素子
４１ パワーモジュール駆動信号線
４３ 高圧ケーブル
５４ ケーシング
５４ａ 収容凹部
５７ 冷却管
Ｃ コンデンサ

Claims (6)

1. 所定の負荷を交流駆動するための電力供給システムであって、
   負荷駆動用の交流電力を生成する交流電力生成手段と負荷とを一体化した、電力供給システム。
2. 所定の負荷を交流駆動するための電力供給システムであって、
   直流電力を負荷駆動用の交流電力に変換する電力変換手段と、
   前記電力変換手段の変換動作を制御する制御手段と、
   前記電力変換手段からの交流電力の供給を受けて駆動する負荷と、
   を備え、
   前記電力変換手段と前記負荷とを一体化した電力供給システム。
3. 電気自動車に搭載される請求項２記載の電力供給システムであって、
   前記負荷は、前記電気自動車の走行用モータである、電力供給システム。
4. 請求項２又は請求項３記載の電力供給システムであって、
   前記電力変換手段を冷却するための第１冷却管と、前記負荷を冷却するための第２冷却管とが連結されている冷却機構をさらに備えた、電力供給システム。
5. 請求項２〜請求項４のいずれかに記載の電力供給システムであって、
   直流電源からの電源電圧を昇圧して、前記電力変換手段に供給する昇圧手段をさらに備え、
   前記昇圧手段と前記制御手段とが一体化されている、電力供給システム。
6. 請求項２〜請求項５のいずれかに記載の電力供給システムであって、
   直流電力の給電路に組込まれる平滑用のキャパシタを、前記電力変換手段に一体化した、電力供給システム。

Images