JP2006288169A - 電気機器 - Google Patents

Abstract

【課題】 形状の自由度を大きくして、レイアウトの自由度を大きくする。
【解決手段】 コンデンサ２００は、フィルムコンデンサ（１）２１０、フィルムコンデンサ（２）２１２およびフィルムコンデンサ（３）２１４を含む。フィルムコンデンサ（３）２１４の外形は、フィルムコンデンサ（１）２１０およびフィルムコンデンサ（２）２１２の外形よりも大きい。フィルムコンデンサ（１）２１０、フィルムコンデンサ（２）２１２およびフィルムコンデンサ（３）２１４は、筐体７００に収容されている。筐体７００は、フィルムコンデンサ（１）２１０、フィルムコンデンサ（２）２１２およびフィルムコンデンサ（３）２１４の外形に沿った外形を有する。
【選択図】 図２

Description

本発明は、電気機器に関し、特に、電流および電圧の少なくともいずれか一方を変換する変換器に接続されたコンデンサが収容された電気機器に関する。

近年、環境対策の一環として、モータからの駆動力により走行するハイブリッド車、燃料電池車および電気自動車が注目されている。これらの車両には、モータに供給する電流や電圧を所望の状態に調整するため、インバータやコンバータなどの変換器が搭載されている。モータに供給される電力は、インバータやコンバータを介してバッテリやキャパシタなどから供給される。バッテリやキャパシタの電圧は必ずしも一定ではないため、電圧を平滑する必要がある。また、インバータやコンバータが作動すると、それら自体からサージ電圧が発生するため、このサージ電圧を吸収する必要がある。そのため、バッテリとインバータとの間には、コンデンサが設けられる。

トヨタ技術公開集（発行番号１４９０１）（非特許文献１）は、車種別要求スペックに対応可能なインバータ用コンデンサを開示する。この文献に記載のインバータ用コンデンサは、外形が同じ大きさの複数のコンデンサセルを並列に接続したモジュールコンデンサを含む。

非特許文献１に記載のインバータ用コンデンサによると、モジュールコンデンサを構成するコンデンサセルの数を増やすことで静電容量を増大することができる。また、複数のモジュールコンデンサを直列に接続することで、耐電圧性を向上することができる。さらに、複数のコンデンサセルを並列に接続することで、許容リップル電流値を増大することができる。
沖良二，「インバータ用コンデンサ」，トヨタ技術公開集 発行番号１４９０１，２００３年７月３１日

しかしながら、トヨタ技術公開集（発行番号１４９０１）に記載のインバータ用コンデンサは、外形が同じ大きさの複数のコンデンサセルから構成されている。そのため、インバータ用コンデンサ自体の外形が、コンデンサセルの外形によって画一的に定まり、形状の自由度が小さい。したがって、機器の配置空間に対する制約が厳しい車両において、レイアウトの自由度が小さくなってしまうという問題点があった。

本発明は、上述の問題点を解決するためになされたものであって、その目的は、レイアウトの自由度を大きくすることができる電気機器を提供することである。また、本発明の他の目的は、サージ電圧の吸収性および電圧の平滑性に優れた電気機器を提供することである。さらに、本発明の他の目的は、コストを抑制することができる電気機器を提供することである。

第１の発明に係る電気機器は、電流および電圧の少なくともいずれか一方を変換する変換器と、変換器に接続される第１のコンデンサおよび第１のコンデンサよりも外形が大きい第２のコンデンサと、第１のコンデンサの外形および第２のコンデンサの外形と対応した外形を有し、第１のコンデンサおよび第２のコンデンサを収容する筐体とを含む。

第１の発明によると、筐体は、大きさの異なるコンデンサの外形に対応した外形を有する。これにより、筐体の外形を、第１のコンデンサおよび第２のコンデンサに沿って、凹凸のある形状とすることができる。そのため、たとえば車両に設けられたワイヤーハーネス、配管および車体を構成するパネルなどを避けるように、電気機器の外形を形成することができる。その結果、レイアウトの自由度を大きくすることができる電気機器を提供することができる。

第２の発明に係る電気機器においては、第１の発明の構成に加え、筐体は、凸部を含む。第２のコンデンサは、凸部と対応した位置に収容される。

第２の発明によると、筐体内の空間を部分的に大きくし、外形の大きなコンデンサを収容しつつ筐体全体が大型化することを抑制することができる。

第３の発明に係る電気機器においては、第１または第２の発明の構成に加え、第２のコンデンサの静電容量は、第１のコンデンサの静電容量よりも大きい。第１のコンデンサおよび第２のコンデンサは、並列に接続される。

第３の発明によると、一般的にコンデンサは、静電容量が小さいほど高周波の電圧変動に対するインピーダンスが低く、高周波の電圧変動の平滑性が高い。よって、静電容量の小さい第１のコンデンサにより、高周波の電圧変動を効率よく平滑することができる。すなわち変換器で発生するサージ電圧を効率よく吸収することができる。逆に、コンデンサは静電容量が大きいほど低周波の電圧変動に対するインピーダンスが低く、低周波の電圧変動の平滑性が高い。よって、静電容量の大きい第２のコンデンサにより、低周波の電圧変動を平滑することができる。すなわち、変換機および第２のコンデンサに電気的に接続されるバッテリなどの電圧変動を効率よく平滑することができる。このとき、第１のコンデンサと第２のコンデンサとは並列に接続されているので、各コンデンサにかかる電圧が分圧されない。そのため、各コンデンサの静電容量が必要以上に小さくなることを抑制し、サージ電圧の吸収および電圧の平滑のために必要な静電容量を確保することができる。その結果、サージ電圧の吸収性および電圧の平滑性に優れた電気機器を提供することができる。

第４の発明に係る電気機器においては、第１〜３のいずれかの発明の構成に加え、第１のコンデンサは、フィルムコンデンサである。

第４の発明によると、一般的にフィルムコンデンサは、その構造上の特徴から小型化し易く、かつ電圧変動に対するインピーダンスが小さい。このようなフィルムコンデンサが、第１のコンデンサとして用いられる。これにより、電気機器を小型化し、かつサージ電圧を効率よく吸収することができる。

第５の発明に係る電気機器においては、第１〜４のいずれかの発明の構成に加え、第２のコンデンサは、電解コンデンサである。

第５の発明によると、一般的に電解コンデンサは、その構造上の特徴から静電容量を大きくし易い。このような電解コンデンサが、第２のコンデンサとして用いられる。これにより、第２のコンデンサに電気的に接続されるバッテリなどによる低周波の電圧変動を効率よく平滑することができる。

第６の発明に係る電気機器においては、第１〜４のいずれかの発明の構成に加え、第２のコンデンサは、フィルムコンデンサである。

第６の発明によると、一般的にフィルムコンデンサは、その構造上の特徴から耐電圧性に優れている。このようなフィルムコンデンサが、第２のコンデンサとして用いられる。これにより、第２のコンデンサに電気的に接続されるバッテリなどの電圧が高い場合であっても、電圧変動を平滑することができる。

第７の発明に係る電気機器は、第１〜６のいずれかの発明の構成に加え、筐体とは別体であって、変換器を収容するように、筐体に固定される収容体と、筐体を車両に固定するために、筐体に設けられた固定部とをさらに含む。

第７の発明によると、車両の諸元に応じて必要とされる静電容量や耐電圧性が異なるため、コンデンサの全体的な大きさは、車種に応じて異なる。そのため、コンデンサを収容する筐体は、車種毎に専用のものが必然的に設計される。一方、インバータやコンバータなどの変換器は、半導体素子から構成されるため、その大きさは比較的小さく、また、車両の諸元が違ってもその大きさはあまり変わらない。したがって、変換器を収容する収容体をコンデンサの筐体に固定し、この筐体を車両に固定することで、車種に応じて設計される筐体のみを専用の部品とし、収容体を共通の部品とすることができる。これにより、コストを抑制することができる電気機器を提供することができる。

以下、図面を参照しつつ、本発明の実施の形態について説明する。以下の説明では、同一の部品には同一の符号を付してある。それらの名称および機能も同一である。したがって、それらについての詳細な説明は繰返さない。

＜第１の実施の形態＞
図１を参照して、本発明の実施の形態に係る電気機器を搭載した車両について説明する。この車両は、駆動用バッテリ１００と、コンデンサ２００と、インバータ３００と、駆動用モータ４００と、信号生成回路５００と、制御回路６００とを含む。

駆動用バッテリ１００は、複数のセルを直列に接続した電池モジュールを、さらに複数に接続した組電池である。駆動用バッテリ１００の電圧値は、たとえば３００Ｖ程度である。駆動用バッテリ１００の電圧は必ずしも一定ではなく、低周波で変動する。後述するように、駆動用バッテリ１００の電圧は、コンデンサ２００により平滑される。

コンデンサ２００は、駆動用バッテリ１００に並列に接続されている。コンデンサ２００は、電荷を一旦蓄積し、駆動用バッテリ１００から供給された電力を平滑化する。コンデンサ２００により平滑化された電力は、インバータ３００に供給される。

インバータ３００は、６つのＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）３１０
〜３６０と、ＩＧＢＴのエミッタ側からコレクタ側に電流を流すように、各ＩＧＢＴにそれぞれ並列に接続された６つのダイオード３１１〜３６１と、各ＩＧＢＴにそれぞれ接続され、信号生成回路５００が生成した信号に基づいて、ＩＧＢＴを駆動させる６つのＩＧＢＴ駆動回路３１２〜３６２とを含む。各相（Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相）と対応するように、ＩＧＢＴ３１０とＩＧＢＴ３２０とが、ＩＧＢＴ３３０とＩＧＢＴ３４０とが、ＩＧＢＴ３５０とＩＧＢＴ３６０とが、それぞれ直列に接続されている。インバータ３００は、各ＩＧＢＴをオン／オフすることにより、駆動用バッテリ１００から供給された電流を、交流電流から直流電流に変換し、駆動用モータ４００に供給する。なお、駆動用バッテリ１００の電圧をコンバータにより昇圧して、インバータ３００に電力を供給してもよい。

ここで、各ＩＧＢＴのスイッチングにより、高周波で変動するサージ電圧が、インバータ３００内で発生する。後述するように、インバータ３００で発生するサージ電圧は、コンデンサ２００により平滑（吸収）される。なお、インバータ３００には、周知の技術を利用すればよいため、ここではさらなる詳細な説明は繰返さない。

駆動用モータ４００は、三相交流モータである。駆動用モータ４００の回転軸は、最終的には車両のドライブシャフト（図示せず）に接続される。車両は、駆動用モータ４００からの駆動力により走行する。

信号生成回路５００は、制御回路６００により制御され、ＩＧＢＴをオン／オフする信号を生成する。制御回路６００は、アクセルペダル（図示せず）の踏込み量や、スロットル（図示せず）の開度などに基づいて、各ＩＧＢＴオン／オフ比（デューティー比）を算出する。なお、信号生成回路５００および制御回路６００には、周知の技術を利用すればよいため、ここではその詳細な説明は繰返さない。

図２を参照して、コンデンサ２００についてさらに説明する。コンデンサ２００は、フィルムコンデンサ（１）２１０、フィルムコンデンサ（２）２１２およびフィルムコンデンサ（３）２１４から構成される。紙面に対して垂直方向には、各フィルムコンデンサと同一の外形を有するフィルムコンデンサが複数配列されている。なお、フィルムコンデンサ（３）２１４の代わりにアルミ電解コンデンサを用いてもかまわない。

フィルムコンデンサ（３）２１４の静電容量は、フィルムコンデンサ（１）２１０およびフィルムコンデンサ（２）２１２の静電容量よりも大きい。したがって、フィルムコンデンサ（３）２１４の外形は、フィルムコンデンサ（１）２１０およびフィルムコンデンサ（２）２１２の外形よりも大きい。

また、フィルムコンデンサ（１）２１０の静電容量とフィルムコンデンサ（２）２１２の静電容量とは同じである。したがって、フィルムコンデンサ（１）２１０の外形とフィルムコンデンサ（２）２１２の外形とは同じ大きさである。なお、フィルムコンデンサ（１）２１０の静電容量とフィルムコンデンサ（２）２１２の静電容量とが異なっていてもよい。同様に、フィルムコンデンサ（１）２１０の外形とフィルムコンデンサ（２）２１２の外形とが異なる大きさであってもよい。

フィルムコンデンサ（１）２１０、フィルムコンデンサ（２）２１２およびフィルムコンデンサ（３）２１４は、電極（１）２２０および電極（２）２２２により並列に接続されている。

一般的にコンデンサは、静電容量が小さいほど高周波の電圧変動に対するインピーダンスが低く、高周波の電圧変動の平滑性（吸収性）が高い。よって、静電容量の小さいフィルムコンデンサ（１）２１０およびフィルムコンデンサ（２）２１２により、インバータ３００で発生するサージ電圧を効率よく吸収することができる。

逆に、コンデンサは静電容量が大きいほど低周波の電圧変動に対するインピーダンスが低く、低周波の電圧変動の平滑性が高い。よって、静電容量の大きいフィルムコンデンサ（３）２１４により、低周波で変動する駆動用バッテリ１００の電圧を効率よく平滑することができる。

ここで、コンデンサを直列に接続すると、各コンデンサにかかる電圧が分圧されるため、各コンデンサの静電容量が必要以上に小さくなるが、フィルムコンデンサ（１）２１０、フィルムコンデンサ（２）２１２およびフィルムコンデンサ（３）２１４は並列に接続されている。これにより、各フィルムコンデンサにかかる電圧は分圧されない。そのため、各コンデンサの静電容量が必要以上に小さくなることを抑制し、電圧を平滑するために必要な静電容量を確保することができる。

フィルムコンデンサ（１）２１０、フィルムコンデンサ（２）２１２およびフィルムコンデンサ（３）２１４は、筐体７００に収容されている。筐体７００は、フィルムコンデンサ（１）２１０、フィルムコンデンサ（２）２１２およびフィルムコンデンサ（３）２１４の外形に沿った外形を有する。そのため、筐体７００には凸部７０２が設けられている。この凸部７０２と対応した位置にフィルムコンデンサ（３）２１４が収容されている。これにより、筐体７００内の空間を部分的に大きくして、外形の大きなフィルムコンデンサ（３）２１４を収容しつつ、筐体７００全体が大型化することを抑制することができる。

また、筐体７００には、筐体７００を車体に固定するための取付座２３０が設けられている。筐体７００の上部には、インバータ３００を収容する収容体８００が固定される。なお、インバータ３００の代わりに、駆動用バッテリ１００の電圧を昇降圧するコンバータを収容体８００に収容してもよい。また、インバータ３００とともに、コンバータを収容体８００に収容してもよい。さらに、コンバータを収容する別体の収容体を、収容体８００に固定してもよい。

車両の諸元に応じて必要とされる静電容量や耐電圧性が異なるため、コンデンサ２００の全体的な大きさは、車種に応じて異なる。そのため、コンデンサ２００を収容する筐体７００は、車種毎に専用のものが必然的に設計される。一方、インバータ３００は、半導体素子から構成されるため、その大きさは比較的小さく、また、車両の諸元が違ってもその大きさはあまり変わらない。したがって、インバータ３００を収容する収容体８００を、筐体７００に固定し、この筐体７００を車両に固定することで、車種に応じて設計される筐体７００のみを専用の部品とし、収容体８００を共通の部品とすることができる。これにより、コストを抑制することができる。なお、筐体７００の下部に収容体８００を固定するようにしてもよい。

以上のような構造に基づく、本実施の形態に係る電気機器の作用について説明する。

筐体７００の外形は、各フィルムコンデンサの外形に沿うように、凹凸を有している。これにより、図２に示すように、ワイヤーハーネス９００および燃料配管９０２が配設されていても、ワイヤーハーネス９００および燃料配管９０２を避けて、筐体７００を車体に固定することができる。また、図３に示すように、筐体７００を、車体を構成するパネル９０４に近接させて、固定することができる。これにより、車両の限られた空間を有効に利用して、インバータ３００およびコンデンサ２００を配置することができる。

以上のように、本実施の形態に係る電気機器は、フィルムコンデンサ（１）と、フィルムコンデンサ（２）と、フィルムコンデンサ（１）およびフィルムコンデンサ（２）よりも大きい外形のフィルムコンデンサ（３）とを含む。各フィルムコンデンサは、並列に接続される。これらのフィルムコンデンサは、各フィルムコンデンサの外形と対応した外形を有する筐体に収容される。これにより、筐体の外形を、各フィルムコンデンサの外形に沿って形成し、凹凸のある形状とすることができる。そのため、ワイヤーハーネス、燃料配管および車体を構成するパネルなどが配置されている空間であっても、これらの部材を避けてインバータおよびコンデンサを配置することができる。

なお、前述の実施の形態では、筐体７００の中央部に凸部７０２が設けられていたが、図４に示すように、筐体７１０の側部に凸部７１２を設けてもよい。この場合、フィルムコンデンサ（１）２１０、フィルムコンデンサ（２）２１２およびフィルムコンデンサ（３）２１４は、電極（１）２２０および電極（３）２２４により並列に接続される。このようにしても、前述の第１の実施の形態と同様の効果を得ることができる。

さらに、図５に示すように、筐体７２０の両側部に凸部７１２，７１４を設け、これらの凸部７１２，７１４と対応した位置に、フィルムコンデンサ（４）２４０よりも静電容量が大きい（外形が大きい）フィルムコンデンサ（５）２４２およびフィルムコンデンサ（６）２４４を設けてもよい。この場合、フィルムコンデンサ（４）２４０、フィルムコンデンサ（５）２４２およびフィルムコンデンサ（６）２４４は、電極（１）２２０および電極（４）２２６により並列に接続される。このようにしても、前述の第１の実施の形態と同様の効果を得ることができる。

さらに、筐体７００に設けられる取付座の態様は１つではなく、様々な態様が考えられる。たとえば、図６に示すように、筐体７００の異なる面に対して、取付座２３０および取付座２３２を設けるようにしてもよい。また、図７に示すように、左右または前後の両側面に対して取付座２３０および取付座２３２を設けるようにしてもよい。また、図８に示すように、筐体７００の一側面に対して複数の取付座２３０および取付座２３２を設けるようにしてもよい。また、筐体７００の形状に合わせて、取付座の位置や形状が異なるようにしてもよい。

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。

本発明の実施の形態に係る電気機器を搭載した車両の概略を示す図である。 フィルムコンデンサおよびフィルムコンデンサを収容する筐体の外形を示す図（その１）である。 フィルムコンデンサおよびフィルムコンデンサを収容する筐体の外形を示す図（その２）である。 フィルムコンデンサおよびフィルムコンデンサを収容する筐体の外形を示す図（その３）である。 フィルムコンデンサおよびフィルムコンデンサを収容する筐体の外形を示す図（その４）である。 フィルムコンデンサおよびフィルムコンデンサを収容する筐体の外形を示す図（その５）である。 フィルムコンデンサおよびフィルムコンデンサを収容する筐体の外形を示す図（その６）である。 フィルムコンデンサおよびフィルムコンデンサを収容する筐体の外形を示す図（その７）である。

符号の説明

１００ 駆動用バッテリ、２００ コンデンサ、２１０ フィルムコンデンサ（１）、２１２ フィルムコンデンサ（２）、２１４ フィルムコンデンサ（３）、２２０ 電極（１）、２２２ 電極（２）、２２４ 電極（３）、２２６ 電極（４）、２３０ 取付座、２４０ フィルムコンデンサ（４）、２４２ フィルムコンデンサ（５）、２４４ フィルムコンデンサ（６）、３００ インバータ、４００ 駆動用モータ、５００ 信号生成回路、６００ 制御回路、７００，７１０，７２０ 筐体、７０２，７１２，７２２，７２４ 凸部、８００ 収容体、９００ ワイヤーハーネス、９０２ 燃料配管、９０４ パネル。

Claims (7)

1. 電流および電圧の少なくともいずれか一方を変換する変換器と、
   前記変換器に接続される第１のコンデンサおよび前記第１のコンデンサよりも外形が大きい第２のコンデンサと、
   前記第１のコンデンサの外形および前記第２のコンデンサの外形と対応した外形を有し、前記第１のコンデンサおよび前記第２のコンデンサを収容する筐体とを含む、電気機器。
2. 前記筐体は、凸部を含み、
   前記第２のコンデンサは、前記凸部と対応した位置に収容される、請求項１に記載の電気機器。
3. 前記第２のコンデンサの静電容量は、前記第１のコンデンサの静電容量よりも大きく、
   前記第１のコンデンサおよび前記第２のコンデンサは、並列に接続される、請求項１または２に記載の電気機器。
4. 前記第１のコンデンサは、フィルムコンデンサである、請求項１〜３のいずれかに記載の電気機器。
5. 前記第２のコンデンサは、電解コンデンサである、請求項１〜４のいずれかに記載の電気機器。
6. 前記第２のコンデンサは、フィルムコンデンサである、請求項１〜４のいずれかに記載の電気機器。
7. 前記電気機器は、
   前記筐体とは別体であって、前記変換器を収容するように、前記筐体に固定される収容体と、
   前記筐体を前記車両に固定するために、前記筐体に設けられた固定部とをさらに含む、請求項１〜６のいずれかに記載の電気機器。

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