JP2008301684A

JP2008301684A - 電気機器およびその製造方法

Info

Publication number: JP2008301684A
Application number: JP2007148333A
Authority: JP
Inventors: Naoyoshi Takamatsu; 直義高松
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2007-06-04
Filing date: 2007-06-04
Publication date: 2008-12-11
Anticipated expiration: 2027-06-04
Also published as: JP5151257B2

Abstract

【課題】大型化を抑制しながらバスバーの組付け性を向上させた電気機器およびその製造方法を提供する。
【解決手段】ＰＣＵ７００は、Ｕ相アーム７２１Ｕ，７３１Ｕ、Ｖ相アーム７２１Ｖ，７３１ＶおよびＷ相アーム７２１Ｗ，７３１Ｗと、Ｕ相アーム７２１Ｕ，７３１Ｕ、Ｖ相アーム７２１Ｖ，７３１ＶおよびＷ相アーム７２１Ｗ，７３１Ｗを並列に接続するバスバー７５０Ｐおよびバスバー７５０Ｎと、Ｕ相アーム７２１Ｕ，７３１Ｕ、Ｖ相アーム７２１Ｖ，７３１ＶおよびＷ相アーム７２１Ｗ，７３１Ｗと並列に接続され、電荷を貯留する平滑コンデンサＣ２と、バスバー７５０Ｐ，７５０Ｎ間の隙間を所定の隙間に保つようにバスバー７５０Ｐ，７５０Ｎに固定されたチップ抵抗を含み、平滑コンデンサＣ２に貯留された電荷を放電させる放電抵抗部７６０とを備える。
【選択図】図２

Description

本発明は、電気機器およびその製造方法に関し、特に、複数の電気回路部を並列に接続する第１と第２バスバーを有する電気機器およびその製造方法に関する。

複数の電気回路部を並列に接続するための第１と第２バスバーを有する従来の電気機器としては、たとえば、特開２００５−３２８６７５号公報（特許文献１）および特開２００５−９４８８２号公報（特許文献２）に記載のものが挙げられる。特許文献１，２では、複数のスイッチング素子群を並列に接続するＰバスバーとＮバスバーとを含む電気機器が記載されている。特許文献１では、さらに、ＰバスバーとＮバスバーとの間に接続されるコンデンサに充電された電荷を放電するための放電抵抗を設けることが記載されている。
特開２００５−３２８６７５号公報特開２００５−９４８８２号公報

放電抵抗部においては、発熱が生じるため、冷却構造を設ける必要がある。しかしながら、放電抵抗部用の冷却構造を独自に設けることとすると、電気機器が大型化する。

また、上記とは異なる観点では、バスバーの電気機器への組付け性が高いことが好ましい。

特許文献１では、放電抵抗部の具体的な実装構造が記載されていないため、上記の問題を必ずしも十分に解決することができない。

本発明は、上記のような問題に鑑みてなされたものであり、本発明の目的は、大型化を抑制しながらバスバーの組付け性を向上させた電気機器およびその製造方法を提供することにある。

本発明に係る電気機器は、複数の電気回路部と、複数の電気回路部を並列に接続する第１と第２バスバーと、複数の電気回路部と並列に接続され、電荷を貯留する電荷貯留部と、第１バスバーと第２バスバーとの隙間を所定の隙間に保つように第１バスバーと第２バスバーとに固定された抵抗素子を含み、電荷貯留部に貯留された電荷を放電させる放電抵抗部とを備える。

上記構成によれば、抵抗素子により第１と第２バスバーの隙間を所定の隙間に保つことができるので、インダクタンスの増大を抑制しながら第１と第２のバスバーの絶縁性を確保することができる。ここで、第１と第２バスバーに固定された抵抗素子を用いて電荷貯留部に貯留された電荷を放電することができる。そして、当該放電に際する発熱を、第１と第２バスバーを介して電気回路部用の冷却構造に伝えることができる。したがって、放電抵抗部のための独自の冷却構造を設ける必要がなく、電気機器の大型化が抑制される。また、抵抗素子を介して第１と第２バスバーが一体化されているため、第１と第２バスバーの組付け性が向上する。

上記電気機器において、好ましくは、放電抵抗部は、第１と第２バスバーの間で並列に接続される複数の抵抗素子を含む。

上記構成によれば、抵抗素子を並列に接続することで、放電経路の冗長性が向上する。
上記電気機器は、１つの例として、車両駆動用回転電機の動作を制御する制御装置を含む。

本発明に係る電気機器の製造方法は、複数の電気回路部をベース部上に搭載する工程と、第１と第２バスバー間に所定の隙間を規定しながら抵抗素子を介して第１と第２バスバーを一体化する工程と、一体化された第１と第２バスバーをベース部に取り付けて複数の電気回路部を並列に接続する工程とを備える。

上記方法によれば、抵抗素子により第１と第２バスバーの隙間を所定の隙間に保つことができるので、インダクタンスの増大を抑制しながら第１と第２のバスバーの絶縁性を確保することができる。また、抵抗素子が第１と第２バスバーに固定されているため、抵抗素子の発熱を、第１と第２バスバーを介して電気回路部用の冷却構造に伝えることができる。したがって、抵抗素子のための独自の冷却構造を設ける必要がなく、電気機器の大型化が抑制される。また、抵抗素子を介して一体された第１と第２バスバーをベースに取り付けることにより、第１と第２バスバーの組付け性が向上する。

上記方法において、好ましくは、第１と第２バスバーは、第１と第２バスバーの間で並列に接続される複数の抵抗素子により一体化される。

上記方法によれば、抵抗素子を並列に接続することで、放電経路の冗長性が向上する。
上記方法において、１つの例として、電気機器は、車両駆動用回転電機の動作を制御する制御装置を含む。

本発明によれば、電気機器の大型化を抑制しながらバスバーの組付け性を向上させることができる。

以下に、本発明の実施の形態について説明する。なお、同一または相当する部分に同一の参照符号を付し、その説明を繰返さない場合がある。

なお、以下に説明する実施の形態において、個数、量などに言及する場合、特に記載がある場合を除き、本発明の範囲は必ずしもその個数、量などに限定されない。また、以下の実施の形態において、各々の構成要素は、特に記載がある場合を除き、本発明にとって必ずしも必須のものではない。また、以下に複数の実施の形態が存在する場合、特に記載がある場合を除き、各々の実施の形態の構成を適宜組合わせることは、当初から予定されている。

図１は、本発明の１つの実施の形態に係る電気機器を含むハイブリッド車両の構成を示す図である。

図１を参照して、ハイブリッド車両１は、エンジン１００と、モータジェネレータ２００（２１０，２２０）と、動力分割機構３００と、ディファレンシャル機構４００と、ドライブシャフト５００と、前輪である駆動輪６００Ｌ，６００Ｒと、ＰＣＵ（Power Control Unit）７００と、ケーブル８００（８１０，８２０，８３０）と、バッテリ９００とを備える。

図１に示すように、エンジン１００と、モータジェネレータ２００と、動力分割機構３００と、ＰＣＵ７００とは、エンジンルーム２内に配設される。モータジェネレータ２１０，２２０とＰＣＵ７００とは、それぞれ、ケーブル８１０，８２０により接続される。ＰＣＵ７００とバッテリ９００とは、ケーブル８３０により接続される。また、エンジン１００およびモータジェネレータ２１０，２２０からなる動力出力装置は、動力分割機構３００および減速機構を介してディファレンシャル機構４００に連結されている。ディファレンシャル機構４００は、ドライブシャフト５００を介して駆動輪６００Ｌ，６００Ｒに連結されている。

モータジェネレータ２１０，２２０は、３相交流同期電動発電機であって、ＰＣＵ７００から受ける交流電力によって駆動される。また、モータジェネレータ２１０，２２０は、発電機としても使用され、その発電作用により交流電力を発電し、その発電した交流電力をＰＣＵ７００へ出力する。動力分割機構３００は、たとえばプラネタリギヤを含んで構成される。

ＰＣＵ７００は、バッテリ９００から受ける直流電圧を交流電圧に変換してモータジェネレータ２１０，２２０を駆動する。また、ＰＣＵ７００は、モータジェネレータ２１０，２２０が発電した交流電圧を直流電圧に変換してバッテリ９００を充電する。

図２は、ＰＣＵ７００の主要部の構成を示す回路図である。図２を参照して、ＰＣＵ７００は、コンバータ７１０と、インバータ７２０，７３０と、制御装置７４０と、バスバー７５０Ｐ，７５０Ｎと、放電抵抗部７６０と、フィルタコンデンサＣ１と、平滑コンデンサＣ２とを含んで構成される。コンバータ７１０は、バッテリ９００とインバータ７２０，７３０との間に接続され、インバータ７２０，７３０は、それぞれ、モータジェネレータ２１０，２２０と接続される。

コンバータ７１０は、パワートランジスタＱ１，Ｑ２と、ダイオードＤ１，Ｄ２と、リアクトルＬとを含む。パワートランジスタＱ１，Ｑ２は直列に接続され、制御装置７４０からの制御信号をベースに受ける。ダイオードＤ１，Ｄ２は、それぞれパワートランジスタＱ１，Ｑ２のエミッタ側からコレクタ側へ電流を流すようにパワートランジスタＱ１，Ｑ２のコレクタ−エミッタ間にそれぞれ接続される。リアクトルＬは、バッテリ９００の正極と接続される電源ラインＰＬ１に一端が接続され、パワートランジスタＱ１，Ｑ２の接続点に他端が接続される。

このコンバータ７１０は、リアクトルＬを用いてバッテリ９００から受ける直流電圧を昇圧し、その昇圧した昇圧電圧を電源ラインＰＬ２に供給する。また、コンバータ７１０は、インバータ７２０，７３０から受ける直流電圧を降圧してバッテリ９００を充電する。

インバータ７２０，７３０は、それぞれ、Ｕ相アーム７２１Ｕ，７３１Ｕ、Ｖ相アーム７２１Ｖ，７３１ＶおよびＷ相アーム７２１Ｗ，７３１Ｗを含む。Ｕ相アーム７２１Ｕ、Ｖ相アーム７２１ＶおよびＷ相アーム７２１Ｗは、バスバー７５０Ｐとバスバー７５０Ｎとの間に並列に接続される。同様に、Ｕ相アーム７３１Ｕ、Ｖ相アーム７３１ＶおよびＷ相アーム７３１Ｗは、バスバー７５０Ｐとバスバー７５０Ｎとの間に並列に接続される。

Ｕ相アーム７２１Ｕは、直列接続された２つのパワートランジスタＱ３，Ｑ４を含む。同様に、Ｕ相アーム７３１Ｕ、Ｖ相アーム７２１Ｖ，７３１ＶおよびＷ相アーム７２１Ｗ，７３１Ｗは、それぞれ、直列接続された２つのパワートランジスタＱ５〜Ｑ１４を含む。また、各パワートランジスタＱ３〜Ｑ１４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〜Ｄ１４がそれぞれ接続されている。

インバータ７２０，７３０の各相アームの中間点は、それぞれ、モータジェネレータ２１０，２２０の各相コイルの各相端に接続されている。そして、モータジェネレータ２１０，２２０においては、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
される。

フィルタコンデンサＣ１は、電源ラインＰＬ１，ＰＬ３間に接続され、電源ラインＰＬ１，ＰＬ３間の電圧レベルを平滑化する。また、平滑コンデンサＣ２は、バスバー７５０Ｐ，７５０Ｎ間に接続され、バスバー７５０Ｐ，７５０Ｎ間の電圧レベルを平滑化する。

インバータ７２０，７３０は、制御装置７４０からの駆動信号に基づいて、平滑コンデンサＣ２からの直流電圧を交流電圧に変換してモータジェネレータ２１０，２２０を駆動する。

制御装置７４０は、コンピュータからのモータトルク指令値、モータジェネレータ２１０，２２０の各相電流値、およびインバータ７２０，７３０の入力電圧に基づいてモータジェネレータ２１０，２２０の各相コイル電圧を演算し、その演算結果に基づいてパワートランジスタＱ３〜Ｑ１４をオン／オフするＰＷＭ（Pulse Width Modulation）信号を生成してインバータ７２０，７３０へ出力する。

また、制御装置７４０は、上述したモータトルク指令値およびモータ回転数に基づいてインバータ７２０，７３０の入力電圧を最適にするためのパワートランジスタＱ１，Ｑ２のデューティ比を演算し、その演算結果に基づいてパワートランジスタＱ１，Ｑ２をオン／オフするＰＷＭ信号を生成してコンバータ７１０へ出力する。

さらに、制御装置７４０は、モータジェネレータ２１０，２２０によって発電された交流電力を直流電力に変換してバッテリ９００を充電するため、コンバータ７１０およびインバータ７２０，７３０におけるパワートランジスタＱ１〜Ｑ１４のスイッチング動作を制御する。

図３は、ＰＣＵに含まれるＵ相アーム７２１Ｕ，７３１Ｕ、Ｖ相アーム７２１Ｖ，７３１ＶおよびＷ相アーム７２１Ｗ，７３１Ｗの実装構造を示す図である。図３に示すように、各相アームを構成するパワートランジスタおよびダイオードは、ケーシング７７０内に設けられる。ケーシング７７０内には、バスバー７５０（７５０Ｐ，７５０Ｎ）が設けられており、バスバー７５０により、各相アームが並列に接続される。なお、ＰＣＵ７００は、上記パワートランジスタやダイオード（半導体素子）を冷却する冷却装置７８０を備えている。

ＰＣＵ７００の動作時には、平滑コンデンサＣ２には、電荷が蓄積される。ＰＣＵ７００の動作停止時には、平滑コンデンサＣ２に蓄積された電荷を放電する制御が行なわれるが、たとえば、車両事故時や故障発生時等において、上記放電制御を行なうことができない場合がある。このように、放電制御を行なうことができない場合にも、所定の時間内（たとえば数分〜数十分以内）に所定の電圧（たとえば４２Ｖ以下程度）にまで電圧を下げるように平滑コンデンサＣ２の電荷を放電するために、上述した放電抵抗部７６０が設けられている。

放電抵抗部７６０においては、発熱が生じるため、放電抵抗部７６０を冷却するための冷却構造を設ける必要がある。他方、エンジンルーム２内のスペースには制約があるため、ＰＣＵ７００を小型化したいという要請がある。また、バスバー７５０のＰＣＵ７００への組付け性を高くしたいという要請がある。

本願発明者は、上記の要請に対し、一対のバスバー７５０と放電抵抗部７６０とを一体化する構造を考案した。図４，図５を用いて、本願発明者が考案した構造について説明する。図４（バスバー上面図），図５（図４におけるＶ−Ｖ断面図）に示すように、バスバー７５０Ｐとバスバー７５０Ｎとは、放電抵抗部７６０を構成するチップ抵抗７６１，７６２，７６３により、ＰＣＵ７００への組付け前に一体化される。チップ抵抗７６１，７６２，７６３は、バスバー７５０Ｐおよびバスバー７５０Ｎ間で電気的に並列に接続されている。図４に示すように、チップ抵抗７６１，７６２，７６３は、マトリクス状に配置される。チップ抵抗の個数（行数×列数）は、適宜変更可能である。

図４，図５に示す構造によれば、チップ抵抗７６１〜７６３の厚みを利用することにより、バスバー７５０Ｐ，７５０Ｎの隙間を所定の隙間（たとえば１．５ｍｍ〜２ｍｍ程度）に保つことができるので、インダクタンスの増大を抑制しながらバスバー７５０Ｐ，７５０Ｎの絶縁性を確保することができる。また、バスバー７５０Ｐ，７５０Ｎに固定されたチップ抵抗７６１〜７６３を用いて平滑コンデンサＣ２に貯留された電荷を放電することができる。そして、放電抵抗部７６０における発熱を、バスバー７５０Ｐ，７５０Ｎを介してＵ相アーム７２１Ｕ，７３１Ｕ、Ｖ相アーム７２１Ｖ，７３１ＶおよびＷ相アーム７２１Ｗ，７３１Ｗ用の冷却装置７８０に伝えることができる。したがって、放電抵抗部７６０のための独自の冷却構造を設ける必要がなく、ＰＣＵ７００の大型化が抑制される。また、チップ抵抗７６１〜７６３を介してバスバー７５０Ｐ，７５０Ｎが一体化されているため、バスバー７５０Ｐ，７５０Ｎのケーシング７７０への組付け性が向上する。

また、バスバー７５０Ｐ，７５０Ｎ間で複数のチップ抵抗７６１〜７６３を並列に接続することで、放電経路の冗長性が向上する。

図６は、図４，図５に示す構造の１つの変形例を示す図であり、図７は、図６におけるＶII−ＶII断面図である。図６，図７に示すように、放電抵抗部７６０は、バスバー７５０Ｐ，７５０Ｎを幅方向に挟持するように設けられたチップ抵抗７６１，７６２を含んで構成されてもよい。また、図８は、図４，図５に示す構造の他の変形例を示す図である。図８に示すように、図４，図５の構造を９０°回転させた状態で、バスバー７５０および放電抵抗部７６０をＰＣＵ７００に組み付けてもよい。

図９は、チップ抵抗７６１の構造の例を示した図である。図９に示すように、チップ抵抗７６１は、正極側，負極側の電極７６１Ｐ，７６１Ｎを有する。電極７６１Ｐ，７６１Ｎは、はんだ付け等により、それぞれ、バスバー７５０Ｐ，７５０Ｎに接続される。チップ抵抗７６２，７６３についても、チップ抵抗７６１と同様の構造を有する。

図９に示されるチップ抵抗７６１のサイズは、たとえば、Ｌ１≒１．６ｍｍ，Ｌ２≒３．２ｍｍである。ここで、放電抵抗部７６０全体の抵抗値を６５ｋΩ、発熱量を４Ｗに設定し、チップ抵抗１つあたりの発熱量を０．１Ｗに設定すると、チップ抵抗の使用数は、４／０．１＝４０（個）となり、これらをすべて並列接続する場合、チップ抵抗１個あたりの抵抗値は６５（ｋΩ）×４０＝２．６（ＭΩ）とする必要がある。

次に、図１０を参照しながら、ＰＣＵ７００の製造方法について説明する。まず、ステップ１０（以下「Ｓ１０」のように略す。）において、インバータ７２０，７３０を構成する各半導体素子をケーシング７７０上に搭載する。Ｓ２０において、チップ抵抗７６１〜７６３とバスバー７５０Ｐ，７５０Ｎとをはんだ接続等により接合して、バスバー７５０Ｐ，７５０Ｎを一体化する。そして、Ｓ３０において、一体化されたバスバー７５０Ｐ，７５０Ｎをケーシング７７０に取り付けてインバータ７２０，７３０を構成するＵ相アーム７２１Ｕ，７３１Ｕ、Ｖ相アーム７２１Ｖ，７３１ＶおよびＷ相アーム７２１Ｗ，７３１Ｗを並列に接続する。これにより、図３に示される実装構造が得られる。

上述した内容について要約すると、以下のようになる。すなわち、本実施の形態に係る「電気機器」としてのＰＣＵ７００は、複数の「電気回路部」としてのＵ相アーム７２１Ｕ，７３１Ｕ、Ｖ相アーム７２１Ｖ，７３１ＶおよびＷ相アーム７２１Ｗ，７３１Ｗと、Ｕ相アーム７２１Ｕ，７３１Ｕ、Ｖ相アーム７２１Ｖ，７３１ＶおよびＷ相アーム７２１Ｗ，７３１Ｗを並列に接続する「第１バスバー」としてのバスバー７５０Ｐおよび「第２バスバー」としてのバスバー７５０Ｎと、Ｕ相アーム７２１Ｕ，７３１Ｕ、Ｖ相アーム７２１Ｖ，７３１ＶおよびＷ相アーム７２１Ｗ，７３１Ｗと並列に接続され、電荷を貯留する「電荷貯留部」としての平滑コンデンサＣ２と、バスバー７５０Ｐ，７５０Ｎ間の隙間を所定の隙間に保つようにバスバー７５０Ｐ，７５０Ｎに固定された「抵抗素子」としてのチップ抵抗７６１〜７６３を含み、平滑コンデンサＣ２に貯留された電荷を放電させる放電抵抗部７６０とを備える。

また、本実施の形態に係るＰＣＵ７００の製造方法は、図１０に示すように、Ｕ相アーム７２１Ｕ，７３１Ｕ、Ｖ相アーム７２１Ｖ，７３１ＶおよびＷ相アーム７２１Ｗ，７３１Ｗを「ベース部」としてのケーシング７７０上に搭載する工程（Ｓ１０）と、バスバー７５０Ｐ，７５０Ｎ間に所定の隙間を規定しながらチップ抵抗７６１〜７６３を介してバスバー７５０Ｐ，７５０Ｎを一体化する工程（Ｓ２０）と、一体化されたバスバー７５０Ｐ，７５０Ｎをケーシング７７０に取り付けてＵ相アーム７２１Ｕ，７３１Ｕ、Ｖ相アーム７２１Ｖ，７３１ＶおよびＷ相アーム７２１Ｗ，７３１Ｗを並列に接続する工程（Ｓ３０）とを備える。

以上、本発明の実施の形態について説明したが、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１つの実施の形態に係る電気機器を含むハイブリッド車両の構成を示す図である。図１に示されるＰＣＵの主要部の構成を示す回路図である。図１に示されるＰＣＵに含まれる電気素子の実装構造を示す図である。図１に示されるＰＣＵに含まれるバスバーの接続構造の一例を示す上面図である。図４におけるＶ−Ｖ断面図である。図１に示されるＰＣＵに含まれるバスバーの接続構造の他の例を示す上面図である。図６におけるＶII−ＶII断面図である。図１に示されるＰＣＵに含まれるバスバーの接続構造のさらに他の例を示す断面図である。本発明の１つの実施の形態に係る電気機器に含まれる放電抵抗の一例を示す図である。本発明の１つの実施の形態に係る電気機器の製造方法を説明するフロー図である。

符号の説明

１ハイブリッド車両、２エンジンルーム、１００エンジン、２００，２１０，２２０モータジェネレータ、３００動力分割機構、４００ディファレンシャル機構、５００ドライブシャフト、６００Ｌ，６００Ｒ駆動輪、７００ＰＣＵ、７１０コンバータ、７２０，７３０インバータ、７２１Ｕ，７３１ＵＵ相アーム、７２１Ｖ，７３１ＶＶ相アーム、７２１Ｗ，７３１ＷＷ相アーム、７４０制御装置、７４１制御基板、７５０，７５０Ｐ，７５０Ｎバスバー、７６０放電抵抗部、７６１，７６２，７６３チップ抵抗、７６１Ｐ，７６１Ｎ電極、７７０ケーシング、７８０冷却装置、８００，８１０，８２０，８３０ケーブル、９００バッテリ、Ｃ１フィルタコンデンサ、Ｃ２平滑コンデンサ、Ｄ１〜Ｄ１４ダイオード、Ｌリアクトル、ＰＬ１，ＰＬ２，ＰＬ３電源ライン、Ｑ１〜Ｑ１４パワートランジスタ。

Claims

複数の電気回路部と、
複数の前記電気回路部を並列に接続する第１と第２バスバーと、
複数の前記電気回路部と並列に接続され、電荷を貯留する電荷貯留部と、
前記第１バスバーと前記第２バスバーとの隙間を所定の隙間に保つように前記第１バスバーと前記第２バスバーとに固定された抵抗素子を含み、前記電荷貯留部に貯留された電荷を放電させる放電抵抗部とを備えた、電気機器。
前記放電抵抗部は、前記第１と第２バスバーの間で並列に接続される複数の前記抵抗素子を含む、請求項１に記載の電気機器。
前記電気機器は、車両駆動用回転電機の動作を制御する制御装置を含む、請求項１または請求項２に記載の電気機器。
複数の電気回路部をベース部上に搭載する工程と、
第１と第２バスバー間に所定の隙間を規定しながら抵抗素子を介して前記第１と第２バスバーを一体化する工程と、
一体化された前記第１と第２バスバーを前記ベース部に取り付けて複数の前記電気回路部を並列に接続する工程とを備えた、電気機器の製造方法。
前記第１と第２バスバーは、前記第１と第２バスバーの間で並列に接続される複数の前記抵抗素子により一体化される、請求項４に記載の電気機器の製造方法。
前記電気機器は、車両駆動用回転電機の動作を制御する制御装置を含む、請求項４または請求項５に記載の電気機器の製造方法。