JP2010233294A - 車両用電力変換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】コンデンサとリアクトルとを電気的に接続する接続経路を良好に冷却することができ、しかもコンパクト且つ容易に構成することを可能にする。
【解決手段】車両用電力変換装置１０は、スイッチングモジュール４１とＬＣユニット５２とを筐体５０に収容する。ＬＣユニット５２は、リアクトル４２、一次側コンデンサ３０及び二次側コンデンサ３２を、枠部材５６内に熱伝導性絶縁部材５８に埋設して一体化する。リアクトル４２と一次側コンデンサ３０との間には、前記リアクトル４２から前記一次側コンデンサ３０への熱伝達を遮断するための遮熱部材６０が配設される。リアクトル４２と一次側コンデンサ３０とは、バスバー４４を介して電気的に接続されるとともに、前記バスバー４４は、熱伝導性絶縁部材５８に設けられた一体化連結部６２に配設される。
【選択図】図３

Description

本発明は、電力源から供給される電力を変換するとともに、前記電力を駆動用モータに供給するための車両用電力変換装置に関する。

例えば、駆動用モータにより走行する自動車として、燃料電池自動車、エンジン（内燃機関）を組み込むハイブリッド自動車、及び電気自動車等が知られている。この種の自動車では、電力変換装置が用いられており、前記電力変換装置は、一般的に電力源であるバッテリと、前記バッテリからの直流電力を降圧又は昇圧するＤＣ／ＤＣコンバータと、前記ＤＣ／ＤＣコンバータからの直流電力を交流に変換するインバータと、前記インバータからの交流電力によって回転駆動される駆動用モータとを備えている。

電力変換装置は、車載用として小型化が望まれており、例えば、特許文献１に開示されている電力変換ユニットが知られている。この電力交換ユニットは、直流電源からの直流電力が入力され、該入力された直流電力を異なる電圧値の直流電力に変換して出力するＤＣ／ＤＣコンバータと、ＤＣ／ＤＣコンバータからの直流電力が入力され、該入力された直流電力を交流に変換して出力するインバータと、ＤＣ／ＤＣコンバータの入力側に設けられた第１のコンデンサと、インバータの入力側に設けられた第２のコンデンサとを備えるとともに、第２のコンデンサとが共通のパッケージ内に収容されている。

具体的には、図８に示すように、フィルタ用コンデンサＣ１、平滑用コンデンサＣ２、スナバ用コンデンサＣ３、ＤＣ／ＤＣコンバータ（リアクトルＬ、パワートランジスタＱ１、Ｑ２）、インバータ（パワートランジスタＱ１１〜Ｑ１６）及びインバータ（パワートランジスタＱ２１〜Ｑ２６）は、共通の筐体１内に収容されてモジュール化されている。筐体１には、冷却液等の冷媒が流される冷媒流路２が形成されている。

フィルタ用コンデンサＣ１と平滑用コンデンサＣ２とスナバ用コンデンサＣ３とは、共通のコンデンサパッケージ３内に収容されている。コンデンサパッケージ３内では、フィルタ用コンデンサＣ１と平滑用コンデンサＣ２との間には、伝熱抑制スリット（空気層）が配置されており、耐熱温度の高い前記フィルタ用コンデンサＣ１から耐熱温度の低い前記平滑用コンデンサＣ２に伝わる熱が抑制される、としている。

特開２００９−０４４９２０号公報

しかしながら、上記特許文献１では、フィルタ用コンデンサＣ１、平滑用コンデンサＣ２及びスナバ用コンデンサＣ３が、コンデンサパッケージ３内にポッティング樹脂により覆われているものの、このコンデンサパッケージ３とリアクトルＬとは、相当に離間した位置に配置されている。

リアクトルＬとフィルタ用コンデンサＣ１とは、図示しないが、バスバーにより電気的に接続されており、このバスバーが長尺化してしまう。これにより、ノイズが発生し易いとともに、大電流が流れることによって、前記バスバーが高温になるという問題がある。

本発明はこの種の問題を解決するものであり、コンデンサとリアクトルとを電気的に接続する接続経路を良好に冷却することができ、しかもコンパクト且つ容易に構成することが可能な車両用電力変換装置を提供することを目的とする。

本発明は、電力源から供給される電力を変換するとともに、前記電力を駆動用モータに供給するための車両用電力変換装置に関するものである。

車両用電力変換装置は、スイッチングモジュールと、前記スイッチングモジュールから出力された電圧を平滑化するコンデンサと、前記コンデンサに隣接して配置されるリアクトルと、前記コンデンサ及び前記リアクトルを埋設する熱伝導性絶縁部材と、前記コンデンサと前記リアクトルとの間に配設され、前記熱伝導性絶縁部材を介して前記リアクトルから前記コンデンサに熱が伝導されることを遮断する遮熱部材と、前記熱伝導性絶縁部材の内部に設けられ、前記遮熱部材を挟んで前記コンデンサ側の前記熱伝導性絶縁部材と前記リアクトル側の前記熱伝導性絶縁部材とを一体化する一体化連結部と、前記一体化連結部に配設され、前記コンデンサと前記リアクトルとを電気的に接続する接続経路とを備えている。

また、遮熱部材は、熱伝導性絶縁部材の露出表面から内部に離間する端部を有し、一体化連結部は、前記露出表面と前記端部との間に形成されることが好ましい。

さらに、遮熱部材は、熱伝導性絶縁部材の内部に開口される孔部を有し、一体化連結部は、前記孔部に充填される前記熱伝導性絶縁部材に形成されることが好ましい。

さらにまた、車両用電力変換装置は、スイッチングモジュール、コンデンサ及びリアクトルを収納する筐体を備え、前記筐体の端部には、ヒートシンクが設けられることが好ましい。

また、筐体の端部には、スイッチングモジュールが設けられるとともに、前記端部側から離間する方向に沿ってリアクトル及びコンデンサの順に配置されることが好ましい。

さらに、コンデンサは、スイッチングモジュールの入力側コンデンサ及び出力側コンデンサを有し、前記入力側コンデンサと前記出力側コンデンサのマイナス端子は、熱伝導性絶縁部材の内部で共通化されることが好ましい。

さらにまた、車両用電力変換装置は、スイッチングモジュールより低電圧側に、リアクトル及びコンデンサを設けることが好ましい。

本発明によれば、コンデンサとリアクトルとの間に、前記リアクトルから前記コンデンサへの熱伝導を遮断する遮熱部材が配設されている。このため、コンデンサとリアクトルとを隣接させて配置しても、前記コンデンサが熱により影響されることがない。従って、車両用電力変換装置のコンパクト化が図られるとともに、コンデンサとリアクトルとを電気的に接続する接続経路は、可及的に短尺化される。これにより、接続経路は、ノイズの発生や高温化が抑制され、コンデンサに影響を与えることがない。

さらに、接続経路は、熱伝導性絶縁部材の内部に設けられる一体化連結部に配設されている。このため、簡単な構成で、接続経路を良好に冷却することができ、コンデンサが熱影響を受けることを確実に阻止することが可能になる。

本発明の第１の実施形態に係る車両用電力変換装置が適用される車載用駆動システムの概略構成図である。 前記電力変換装置の概略平面説明図である。 前記電力変換装置の概略正面説明図である。 前記電力変換装置を構成するＬＣユニットの断面説明図である。 本発明の第２の実施形態に係る車両用電力変換装置を構成するＬＣユニットの断面説明図である。 本発明の第３の実施形態に係る車両用電力変換装置を構成するＬＣユニットの断面説明図である。 本発明の第４の実施形態に係る車両用電力変換装置の概略平面説明図である。 特許文献１に開示されている電力変換ユニットの説明図である。

図１に示すように、本発明の第１の実施形態に係る車両用電力変換装置１０が適用される車載用駆動システム１２は、燃料電池（電力源）１４と、電力源である蓄電装置（以下、バッテリという）１６と、前記燃料電池１４とバッテリ１６とを給電回路１８上で接続可能なＤＣ／ＤＣコンバータ２０とを備える。

燃料電池１４及びＤＣ／ＤＣコンバータ２０は、給電回路１８を構成するバスライン２２ａ、２２ｂを介してインバータ２４に接続可能であり、前記インバータ２４を通じて車両走行用の駆動用モータ２６に電流（電力）が供給される。

燃料電池１４は、図示しないが、固体高分子電解質膜の両側をアノード側電極とカソード側電極とで挟み込んだ電解質膜・電極構造体を、セパレータで挟持した発電セルを備え、複数の発電セルが積層（スタック）されている。

ＤＣ／ＤＣコンバータ２０は、それぞれ平滑用の一次側コンデンサ（入力側コンデンサ）３０及び二次側コンデンサ（出力側コンデンサ）３２を設ける。二次側コンデンサ３２は、電力線３３ａ、３３ｂを介してバスライン２２ａ、２２ｂに接続される。

ＤＣ／ＤＣコンバータ２０は、ＩＧＢＴ等のスイッチング素子からなる上アーム素子３４と下アーム素子３６とからなるアームとして構成される。各アーム素子３４、３６は、それぞれ逆方向に並列にダイオード３８、４０（逆並列ダイオード）が接続されてスイッチングモジュール４１を構成する。

ＤＣ／ＤＣコンバータ２０により１次側電圧と２次側電圧との間で電圧を変換する際に、エネルギを放出及び蓄積（電流を変圧）する１個のリアクトル４２が、アームの中点とバッテリ１６との間に挿入される。リアクトル４２と一次側コンデンサ３０とは、バスバー（接続経路）４４を介して接続される。

上アーム素子３４は、ゲートの駆動信号（駆動電圧）ＶＨのハイレベルによりオンにされ、下アーム素子３６は、ゲートの駆動信号（駆動電圧）ＶＬのハイレベルによりオンにされる。

ＤＣ／ＤＣコンバータ２０の１次側には、バッテリ１６が電力線４６ａ、４６ｂを介して接続される。バッテリ１６は、例えば、リチウムイオン２次電池又はキャパシタ等を利用することができる。

インバータ２４は、直流／交流変換を行い、モータ電流を駆動用モータ２６に供給する一方、回生動作に伴う交流／直流変換後のモータ電流を２次側からＤＣ／ＤＣコンバータ２０を通じて１次側に供給する。回生電圧又は発電電圧である２次側電圧は、ＤＣ／ＤＣコンバータ２０により低電圧の１次側電圧に変換される。

図２及び図３に示すように、電力変換装置１０は、筐体５０を備え、この筐体５０内には、スイッチングモジュール４１とＬＣユニット５２とが収容される。筐体５０の端部（例えば、底部）５０ａには、ヒートシンク５４が設けられるとともに、前記筐体５０内には、前記端部５０ａの内面側にスイッチングモジュール４１が配置される。ヒートシンク５４内には、冷媒、例えば、冷却水が供給される。

ＬＣユニット５２は、一次側コンデンサ３０、二次側コンデンサ３２及びリアクトル４２が、枠部材５６内に熱伝導性絶縁部材５８を介して一体的に埋設して構成される。熱伝導性絶縁部材５８は、放熱性及び耐熱性に優れる樹脂、例えば、エポキシ系樹脂により構成される。

枠部材５６内では、図３及び図４に示すように、この枠部材５６の一端部５６ａ側からリアクトル４２、一次側コンデンサ３０及び二次側コンデンサ３２の順に配置される。枠部材５６の底部５６ｂには、リアクトル４２と一次側コンデンサ３０との間に位置して、前記リアクトル４２から前記一次側コンデンサ３０への熱伝導を遮断するための遮熱部材６０が設けられる。

遮熱部材６０は、例えば、ウレタン等で構成される板状を有しており、熱伝導性絶縁部材５８の露出表面５８ａから内部に距離Ｓだけ離間する端部６０ａを有する。露出表面５８ａと端部６０ａとの間には、バスバー４４を熱伝導性絶縁部材５８の内部に配置させるための一体化連結部６２が形成される。

一体化連結部６２は、図４に示すように、熱伝導性絶縁部材５８の内部に設けられ、遮熱部材６０を挟んで一次側コンデンサ３０側の前記熱伝導性絶縁部材５８とリアクトル４２側の前記熱伝導性絶縁部材５８とを一体化する。この一体化連結部６２には、一次側コンデンサ３０と４２リアクトル４２とを電気的に接続するバスバー４４が配設される。

リアクトル４２は、電力線４６ａに接続されるＬ端子４２ａと、スイッチングモジュール４１の中点に接続されるＬ端子４２ｂとを熱伝導性絶縁部材５８から外部に露出する。

一次側コンデンサ３０は、プラス端子３０ａとマイナス端子３０ｂとを有し、前記プラス端子３０ａは、バスバー４４を介してリアクトル４２のＬ端子４２ａの途上に接続される。マイナス端子３０ｂは、二次側コンデンサ３２のマイナス端子３２ｂが熱伝導性絶縁部材５８の内部で結合されて共通化される。この共通化されたマイナス端子３２ｂは、熱伝導性絶縁部材５８の外部に露出して電力線３３ｂに接続される。二次側コンデンサ３２のプラス端子３２ａは、熱伝導性絶縁部材５８から外部に露呈して電力線３３ａに接続される。

図３に示すように、筐体５０の内部では、端部５０ａ側から離間する方向に沿って、リアクトル４２、一次側コンデンサ３０及び二次側コンデンサ３２の順に配置される。

このように構成される駆動システム１２の動作について、第１の実施形態に係る電力変換装置１０との関連で、以下に説明する。

ＤＣ／ＤＣコンバータ２０では、下アーム素子３６がオンされると、バッテリ１６とリアクトル４２と前記下アーム素子３６とにより回路が形成される。このため、バッテリ１６から流れる直流電流に応じて、リアクトル４２にエネルギが蓄積される。この状態で、下アーム素子３６をオフすると、リアクトル４２に蓄積されたエネルギは、ダイオード３８を介して二次側コンデンサ３２に蓄積される。その際、二次側コンデンサ３２の直流電圧は、バッテリ１６の直流電圧よりも高く設定される。

そして、燃料電池１４の出力電圧と、二次側コンデンサ３２の直流電圧、すなわちＤＣ／ＤＣコンバータ２０の二次側電圧とが、ほぼ同一に、あるいは、所定の電圧差範囲になった際、前記燃料電池１４からインバータ２４を介して駆動用モータ２６に電流が供給される。

ところで、上記のＤＣ／ＤＣコンバータ２０では、低電圧側である一次側に大電流が流れるため、リアクトル４２が高温になるとともに、このリアクトル４２と一次側コンデンサ３０とを接続するバスバー４４も高温になり易い。一方、一次側コンデンサ３０は、熱の影響を受け易く、耐熱温度が予め設定されている。

この場合、第１の実施形態では、図４に示すように、枠部材５６内に、リアクトル４２、一次側コンデンサ３０及び二次側コンデンサ３２が配置され、これらが熱伝導性絶縁部材５８により一体的に埋設されている。そして、リアクトル４２と一次側コンデンサ３０との間には、前記リアクトル４２から前記一次側コンデンサ３０への熱伝導を遮断するための遮熱部材６０が配設されている。

このため、リアクトル４２と一次側コンデンサ３０とを隣接して配置しても、前記一次側コンデンサ３０が熱により影響されることがない。従って、ＬＣユニット５２の小型化により、電力変換装置１０全体のコンパクト化が図られるとともに、リアクトル４２と一次側コンデンサ３０とを電気的に接続するバスバー４４は、可及的に短尺化される。これにより、バスバー４４は、ノイズの発生や高温化が抑制され、一次側コンデンサ３０に影響を与えることを阻止することが可能になる。

さらに、熱伝導性絶縁部材５８の内部には、遮熱部材６０を挟んで一次側コンデンサ３０側の前記熱伝導性絶縁部材５８と、リアクトル４２側の前記熱伝導性絶縁部材５８とを一体化する一体化連結部６２が設けられるとともに、前記一体化連結部６２には、バスバー４４が配設されている。このため、簡単な構成で、バスバー４４を熱伝導性絶縁部材５８（一体化連結部６２）により良好に冷却することができ、一次側コンデンサ３０が熱影響を受けることを確実に阻止することが可能になるという効果が得られる。

しかも、遮熱部材６０の端部６０ａは、熱伝導性絶縁部材５８の露出表面５８ａから内部に距離Ｓだけ離間している。従って、枠部材５６に、リアクトル４２、一次側コンデンサ３０及び二次側コンデンサ３２を配置した状態で、熱伝導性絶縁部材５８を一度、充填するだけで、埋設作業が遂行される。これにより、作業性が良好に向上するという利点がある。

さらにまた、電力変換装置１０では、スイッチングモジュール４１及びＬＣユニット５２を収容する筐体５０を備え、前記筐体５０の端部５０ａには、ヒートシンク５４が設けられている（図３参照）。このため、簡単な構成で、スイッチングモジュール４１及びＬＣユニット５２の冷却を行うことが可能になる。

その際、筐体５０の端部５０ａには、スイッチングモジュール４１が設けられるとともに、前記端部５０ａから離間する方向に沿って、高温になり易いリアクトル４２、一次側コンデンサ３０及び二次側コンデンサ３２の順に配置されている。これにより、高温に成り易い部品から良好に冷却することができ、冷却効率の向上が容易に図られる。

さらに、一次側コンデンサ３０と二次側コンデンサ３２とのマイナス端子３０ｂ、３２ｂは、熱伝導性絶縁部材５８の内部で共通化されて、単一のマイナス端子３０ｂが前記熱伝導性絶縁部材５８の外部に露出している。従って、外部に露出する端子数が削減され、組み立て工数が減少して作業性の向上が図られる。

図５は、本発明の第２の実施形態に係る車両用電力変換装置７０を構成するＬＣユニット７２の断面説明図である。

なお、第１の実施形態に係る電力変換装置１０と同一の構成要素には同一の参照符号を付して、その詳細な説明は省略する。また、以下に説明する第３及び第４の実施形態においても同様に、その詳細な説明は省略する。

ＬＣユニット７２は、枠部材５６の底部５６ｂに、リアクトル４２と一次側コンデンサ３０との間に位置して遮熱部材７４を設ける。遮熱部材７４は、熱伝導性絶縁部材５８の内部に開口される孔部７６を有し、前記孔部７６に充填される前記熱伝導性絶縁部材５８に一体化連結部７８が形成される。

孔部７６は、リアクトル４２から一次側コンデンサ３０への熱影響の小さい箇所に設けられ、前記孔部７６に充填される前記熱伝導性絶縁部材５８にバスバー４４が配設される。遮熱部材７４の端部７４ａは、熱伝導性絶縁部材５８の露出表面５８ａと同一位置又は前記露出表面５８ａから外部に突出する位置に設定されてもよい。

このように構成される第２の実施形態では、リアクトル４２と一次側コンデンサ３０とを、可及的に近接して配置することができるとともに、バスバー４４を良好に冷却することが可能になる。このため、上記の第１の実施形態と同様の効果が得られる。

また、熱伝導性絶縁部材５８の充填時には、遮熱部材７４に形成されている孔部７６を介して、単一の充填処理で、枠部材５６内に前記熱伝導性絶縁部材５８を充填することが可能になる。

図６は、本発明の第３の実施形態に係る車両用電力変換装置８０を構成するＬＣユニット８２の断面説明図である。

ＬＣユニット８２では、枠部材５６内にリアクトル４２、一次側コンデンサ３０及び二次側コンデンサ３２が、第１及び第２の実施形態とは異なる姿勢、実質的には、９０°回転した姿勢（水平姿勢から垂直姿勢、又は、その逆）に配置される。

これにより、第３の実施形態では、リアクトル４２、一次側コンデンサ３０及び二次側コンデンサ３２の向きを変更することができ、形状自由度が向上するとともに、レイアウト性の向上を図ることが可能になる。

さらに、一次側コンデンサ３０及び二次側コンデンサ３２では、ＥＳＬ（等価直列インダクタンス）の低減構造を採用するために、配置の向きを柔軟に決定することができる。

図７は、本発明の第４の実施形態に係る車両用電力変換装置９０の概略平面説明図である。

車両用電力変換装置９０では、筐体５０内に、ＤＣ／ＤＣコンバータ２０のスイッチングモジュール４１と、ＬＣユニット５２と、インバータ２４用のスイッチングモジュール９２とが収容される。

これにより、第４の実施形態では、単一の筐体５０内に、ＤＣ／ＤＣコンバータ２０及びインバータ２４が収容されるため、電力変換装置９０全体を一層小型化するとともに、配線作業の簡素化が図られるという効果が得られる。

本発明は、上述の実施の形態に限らず、本発明の要旨を逸脱することなく、種々の構成を採用することができる。

１０、７０、８０、９０…電力変換装置
１２…駆動システム １４…燃料電池
１６…バッテリ １８…給電回路
２０…ＤＣ／ＤＣコンバータ ２４…インバータ
２６…駆動用モータ ３０、３２…コンデンサ
３４…上アーム素子 ３６…下アーム素子
４１、９２…スイッチングモジュール ４２…リアクトル
４４…バスバー ５０…筐体
５２、７２、８２…ＬＣユニット ５４…ヒートシンク
５６…枠部材 ５８…熱伝導性絶縁部材
５８ａ…露出表面 ６０、７４…遮熱部材
５０ａ、６０ａ、７４ａ…端部 ６２、７８…一体化連結部
７６…孔部

Claims (7)

1. 電力源から供給される電力を変換するとともに、前記電力を駆動用モータに供給するための車両用電力変換装置であって、
   スイッチングモジュールと、
   前記スイッチングモジュールから出力された電圧を平滑化するコンデンサと、
   前記コンデンサに隣接して配置されるリアクトルと、
   前記コンデンサ及び前記リアクトルを埋設する熱伝導性絶縁部材と、
   前記コンデンサと前記リアクトルとの間に配設され、前記熱伝導性絶縁部材を介して前記リアクトルから前記コンデンサに熱が伝導されることを遮断する遮熱部材と、
   前記熱伝導性絶縁部材の内部に設けられ、前記遮熱部材を挟んで前記コンデンサ側の前記熱伝導性絶縁部材と前記リアクトル側の前記熱伝導性絶縁部材とを一体化する一体化連結部と、
   前記一体化連結部に配設され、前記コンデンサと前記リアクトルとを電気的に接続する接続経路と、
   を備えることを特徴とする車両用電力変換装置。
2. 請求項１記載の車両用電力変換装置において、前記遮熱部材は、前記熱伝導性絶縁部材の露出表面から内部に離間する端部を有し、
   前記一体化連結部は、前記露出表面と前記端部との間に形成されることを特徴とする車両用電力変換装置。
3. 請求項１記載の車両用電力変換装置において、前記遮熱部材は、前記熱伝導性絶縁部材の内部に開口される孔部を有し、
   前記一体化連結部は、前記孔部に充填される前記熱伝導性絶縁部材に形成されることを特徴とする車両用電力変換装置。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載の車両用電力変換装置において、前記スイッチングモジュール、前記コンデンサ及び前記リアクトルを収納する筐体を備え、
   前記筐体の端部には、ヒートシンクが設けられることを特徴とする車両用電力変換装置。
5. 請求項４記載の車両用電力変換装置において、前記筐体の前記端部には、前記スイッチングモジュールが設けられるとともに、
   前記端部側から離間する方向に沿って前記リアクトル及び前記コンデンサの順に配置されることを特徴とする車両用電力変換装置。
6. 請求項１〜５のいずれか１項に記載の車両用電力変換装置において、前記コンデンサは、前記スイッチングモジュールの入力側コンデンサ及び出力側コンデンサを有し、
   前記入力側コンデンサと前記出力側コンデンサのマイナス端子は、前記熱伝導性絶縁部材の内部で共通化されることを特徴とする車両用電力変換装置。
7. 請求項１〜６のいずれか１項に記載の車両用電力変換装置において、前記スイッチングモジュールより低電圧側に、前記リアクトル及び前記コンデンサを設けることを特徴とする車両用電力変換装置。

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