JP2015207641A - コンデンサユニット - Google Patents

Abstract

【課題】本明細書は、熱対策とコンパクト性に加えてコンデンサ同士を接続するバスバの配索にも配慮したコンデンサユニットを提供する。【解決手段】コンデンサユニット１０の第１−第３コンデンサ素子（第１−第３素子）はいずれも両端に電極を備える直方体をなしている。第２及び第３素子は、正電極同士が対向するようにケース１２内に配置されている。第１素子は、負電極が第１及び第２素子の側面に対向するようにケース内に配置されている。第２素子の正電極から伸びるバスバと第３素子の正電極から伸びるバスバを締結するボルト１８と、第１素子の負電極から伸びるバスバと第２素子の負電極から伸びるバスバを締結するボルト１７と、第１素子の負電極から伸びる別のバスバと第３素子の負電極から伸びるバスバを締結するボルト１９とが、第１素子と、第２及び第３素子との間に配置されている。【選択図】図２

Description

本発明は、複数のコンデンサ素子を収容したコンデンサユニットに関する。特に、電動車両において昇降圧電圧コンバータの低電圧側に接続されるフィルタコンデンサと高電圧側に接続される平滑化コンデンサをケースに収容したコンデンサユニットに関する。

電動車両のなかには、バッテリの出力電圧よりも駆動電圧が高い走行用モータを用いるタイプがある。そのような場合、バッテリの出力電圧を昇圧してモータに供給したり、モータが発電した電力を降圧してバッテリに戻したりする昇降圧電圧コンバータが採用される。昇降圧電圧コンバータの低電圧側と高電圧側にはそれぞれコンデンサが接続される。低電圧側に接続されるコンデンサはフィルタコンデンサと呼ばれ、高電圧側に接続されるコンデンサは平滑化コンデンサと呼ばれることがある。また、機能的には一つのコンデンサであるフィルタコンデンサあるいは平滑化コンデンサは、物理的には複数のコンデンサ素子の並列接続で実現されることがある。

走行用モータは消費電力が大きく、それゆえ、上記した昇降圧電圧コンバータに接続されるコンデンサ素子群も大容量であり体格も大きい。電動車両に搭載するデバイスにはコンパクト性も求められる。体格の大きな複数のコンデンサ素子を一つのケース（あるいはパッケージ）に集約する技術の一例が特許文献１や２に開示されている。

一方、電動車両の上記コンデンサ素子は、発熱量も大きく、集約すると相互に熱の影響を受ける。特に、フィルタコンデンサと平滑化コンデンサは印加電圧が異なるので、熱負荷が相違することがあり、それらのコンデンサ間の相互の熱干渉は小さいことが望ましい。特許文献２には、フィルタコンデンサを構成するコンデンサ素子群と平滑化コンデンサを構成するコンデンサ素子群を、一つのパッケージに集約するとともにフィルタコンデンサの素子群と平滑化コンデンサの素子群の間にスリットを設けて熱干渉を緩和する技術が開示されている。

国際公開ＷＯ２０１０／０６７５１４号公報 国際公開ＷＯ２０１３／００１５９５号公報

一般に大電流を流す導電材料にはケーブルよりも内部抵抗の小さい細長金属板（あるいは金属棒）が用いられる。そのような金属板あるいは金属棒はバスバと呼ばれる。バスバはワイヤと異なり柔軟性が無いのでコンデンサ素子のレイアウトを検討する際にバスバ配索にも配慮が必要である。本明細書は、熱対策とコンパクト性に加えてコンデンサ同士を接続するバスバの配索（バスバ同士の締結箇所の配置）にも配慮したコンデンサユニットを提供する。

本明細書が開示するコンデンサユニットは、昇降圧電圧コンバータの低電圧側に接続される第１コンデンサ素子と高電圧側に並列に接続される第２及び第３コンデンサ素子がケースに収容されているデバイスである。なお、各コンデンサは、低電圧側（あるいは高電圧側）の高電位端子とグランドの間に接続される。第１コンデンサ素子が前述のフィルタコンデンサに相当し、第２及び第３コンデンサ素子の並列回路が平滑化コンデンサに相当する。第１、第２、及び、第３コンデンサ素子はいずれも両端に電極を備える直方体をなしている。第２及び第３コンデンサ素子は、正電極同士が対向するようにケース内に配置されている。第１コンデンサ素子は、負電極が第１及び第２コンデンサ素子の電極以外の側面に対向するようにケース内に配置されている。

各コンデンサ素子から伸びるバスバは、以下の通り配索される。第２コンデンサ素子の正電極から伸びるバスバと第３コンデンサ素子の正電極から伸びるバスバを締結する第１締結部材と、第１コンデンサ素子の負電極から伸びるバスバと第２コンデンサ素子の負電極から伸びるバスバを締結する第２締結部材と、第１コンデンサ素子の負電極から伸びる別のバスバと第３コンデンサ素子の負電極から伸びるバスバを締結する第３締結部材とが、第１コンデンサ素子と、第２及び第３コンデンサ素子との間に配置されている。また、第１締結部材は第２締結部材と第３締結部材に挟まれるように配置される。

フィルタコンデンサと平滑化コンデンサは加わる電圧が異なるので発熱量や熱負荷が異なる場合がある。上記のコンデンサユニットは、フィルタコンデンサに相当する第１コンデンサ素子と、平滑化コンデンサに相当する第２及び第３コンデンサ素子の間に空間を設け、そこにバスバ締結部材を配置する。フィルタコンデンサと平滑化コンデンサの間に空間を設けるだけでなく、バスバ同士の締結部材をその空間に配置することで、フィルタコンデンサと平滑化コンデンサの熱干渉を低減することと、バスバ締結部材の配置場所を含む空間効率のよい配置を実現する。

また、上記のコンデンサユニットでは、コンデンサ素子の電極の向きにも配慮している。昇降圧電圧コンバータを介していてもフィルタコンデンサと平滑化コンデンサは負電極同士が直接に接続される。他方、フィルタコンデンサの正電極と平滑化コンデンサの正電極の間には、例えばリアクトルなどのデバイスが接続される。具体的なレイアウトは実施例にて説明するが、電極の向きを含めた上記のコンデンサ素子群のレイアウトは、コンデンサ素子を繋ぐバスバ同士が交錯することを回避できる。

本明細書が開示する技術は、昇降圧電圧コンバータの低電圧側に接続されるフィルタコンデンサと高電圧側に接続される平滑化コンデンサを収容したコンデンサユニットに関し、熱対策とコンパクト性に加えてコンデンサから伸びるバスバの配索（バスバ同士の締結箇所の配置）にも配慮したユニットを提供する。本明細書が開示する技術の詳細とさらなる改良は以下の「発明を実施するための形態」にて説明する。

ハイブリッド車の駆動系のブロック図である。 実施例のコンデンサユニットの平面図である。 図２のIII−III線に沿った断面図である。 ３個のコンデンサ素子のレイアウトを示す斜視図である。

図面を参照して実施例のコンデンサユニットを説明する。まず、コンデンサユニットが用いられる電動車両の駆動系について説明する。ここで例示する電動車両はハイブリッド車１００である。図１に、ハイブリッド車１００の駆動系のブロック図を示す。ハイブリッド車１００は、走行用にモータ６とともにエンジン３４を備える。モータ６の出力とエンジン３４の出力は動力分配機構３５により適宜に合成／分配されて車軸３６に伝達される。動力分配機構３５の実体はプラネタリギアであり、そのサンギアにエンジン３４が連結されており、キャリアにモータ６が連結されており、リングギアに車軸３６が連結されている。

モータ６を駆動する電力はバッテリ２から供給される。バッテリ２はシステムメインリレー３を介して電力変換器７に接続されており、電力変換器７の３相交流出力端がモータ６に接続されている。電力変換器７は、主要な回路として電圧コンバータ４とインバータ５を備えている。電圧コンバータ４は、チョッパ型であり、２個のスイッチング素子４１、４２の直列回路と、各スイッチング素子に逆並列に接続されているダイオード４３、４４と、リアクトル４５で構成される。リアクトル４５の一端は電圧コンバータ４の低電圧側（バッテリ側）端子に接続されており、他端はスイッチング素子の直列回路の中点に接続されている。図１の電圧コンバータ４は、バッテリ側から入力される電圧を昇圧してインバータ側に出力する昇圧動作と、インバータ側から入力される電圧を降圧してバッテリ側に出力する降圧動作を行うことができる昇降圧電圧コンバータである。なお、降圧動作は、車両の運動エネルギを利用してモータ６で発電したときの電力をバッテリに充電する際に行われる。図１の電圧コンバータ４の回路構成とその動作はよく知られているので詳しい説明は省略する。

電圧コンバータ４のバッテリ側（低電圧側）の高電位端子とグランドの間にはフィルタコンデンサ３１が接続されており、インバータ側（高電圧側）の高電位端子とグランドの間には平滑化コンデンサ３２が接続されている。フィルタコンデンサ３１は、昇圧動作と降圧動作の際に電気エネルギを一時的に蓄える。平滑化コンデンサ３２は、インバータ５に入力される電流の脈動を抑制する。詳しくは後述するが、フィルタコンデンサ３１は、物理的には一つのコンデンサ素子（第１コンデンサ素子１３）で構成されており、平滑化コンデンサ３２は、物理的には２個のコンデンサ素子（第２コンデンサ素子１４と第３コンデンサ素子１５）の並列回路で構成されている。

インバータ５は、スイッチング素子５１とダイオード５２の逆並列回路が６セット図のごとく接続された回路構成を有する。直列に接続されたスイッチング素子の中点から交流が出力される。図１のインバータ５の回路構成も良く知られているので詳しい説明は省略する。

電圧コンバータ４とインバータ５の各スイッチング素子を駆動する信号（ＰＷＭ信号）は、コントローラ３３が供給する。コントローラ３３は、車速、アクセル開度、バッテリ残量などの情報に基づいてモータ６の目標出力を決定し、その目標出力が実現されるように、電圧コンバータ４とインバータ５のスイッチング素子を駆動する。

フィルタコンデンサ３１と平滑化コンデンサ３２について説明する。バッテリ２の出力電圧は３００ボルト程度であり、モータ６の駆動電圧は６００ボルト程度である。また、モータ６の最大出力は６０ｋＷ程度であるため、電力変換器７には１００アンペア程度の電流が流れる。従って、フィルタコンデンサ３１には３００ボルト程度の電圧が印加され、平滑化コンデンサ３２には６００ボルト程度の電圧が印加される。また、両コンデンサには１００アンペア程度の電流が流れ得る。これだけの電流が流れるので両コンデンサとも発熱量が大きい。他方、加わる電圧が異なるので、熱負荷が相違する。

フィルタコンデンサ３１と平滑化コンデンサ３２は上記した大電流に耐え得るように容量が大きく、体格も大きい。フィルタコンデンサ３１は物理的には一つのコンデンサ素子（第１コンデンサ素子１３）で実現されているが、平滑化コンデンサ３２は、高電圧大容量を得るため、２個のコンデンサ素子（第２コンデンサ素子１４と第３コンデンサ素子１５）の並列回路で実現されている。電力変換器７は、これら３個のコンデンサ素子を一つのケースに集約したコンデンサユニットを備える。

図２に、コンデンサユニット１０の平面図を示し、図３に図２のIII−III線に沿った断面図を示す。図４は、３個のコンデンサ素子の配置を示す斜視図である。図４では、コンデンサ素子とバスバのみを示してあり、ケースやボルト（後述）の図示は省略してある。これら３つの図を参照しつつコンデンサユニット１０を説明する。

前述したように、コンデンサユニット１０は、３個のコンデンサ素子（第１コンデンサ素子１３、第２コンデンサ素子１４、及び、第３コンデンサ素子１５）を一つにまとめたユニットである。第１、第２、及び、第３コンデンサ素子１３、１４、１５は、同じタイプの巻回フィルム型である。第２コンデンサ素子１４と第３コンデンサ素子１５は、並列接続して用いるため、容量も同じである。いずれのコンデンサも、直方体の外形を有しており、その一組の平行な側面にメタリコン電極が形成されている。図２と図４では、電極は灰色を付して表している。説明の便宜上、コンデンサ素子において電極が形成された部位をコンデンサの「端」と称し、電極以外の面を「側面」と称する。

３個のコンデンサ素子１３、１４、１５は、樹脂製のケース１２に収容されている。平滑化コンデンサを構成する第２コンデンサ素子１４と第３コンデンサ素子１５は、正電極同士が対向するようにケース１２に配置されている。即ち、第２コンデンサ素子１４の正電極１４ｐが、第３コンデンサ素子１５の正電極１５ｐと対向している。正電極１４ｐにはバスバ２５が接合されており、正電極１５ｐにはバスバ２６が接合されている。夫々のバスバは、電極と接合している部位から伸びる延長部２５ａ、２６ａを有している。第２コンデンサ素子１４の正電極１４ｐに接合したバスバ２５の延長部２５ａと第３コンデンサ素子１５の正電極１５ｐに接合したバスバ２６の延長部２６ａは、ボルト１８にてケース１２に締結されている。締結される場所は、第１コンデンサ素子１３と、第２及び第３コンデンサ素子１４、１５との間の空間Ｓｐ１である。

フィルタコンデンサを構成する第１コンデンサ素子１３は、その負電極１３ｎが、第２及び第３コンデンサ素子１４、１５の側面（電極以外の側面）と対向するようにケース１２に配置されている。負電極１３ｎにはバスバ２２が接合している。バスバ２２の両端の夫々から延長部２２ａ、２２ｂが伸びている。延長部２２ａは、第２コンデンサ素子１４の負電極１４ｎに接合されたバスバ２４から伸びている延長部２４ａと締結されている。延長部２２ａと２４ａは、ボルト１７によってケース１２に締結されている。締結される場所は、第１コンデンサ素子１３と、第２及び第３コンデンサ素子１４、１５との間の空間Ｓｐ１である。

バスバ２２のもう一方の延長部２２ｂは、第３コンデンサ素子１５の負電極１５ｎに接合されたバスバ２７から伸びている延長部２７ａと締結されている。延長部２２ｂと２７ａは、ボルト１９によってケース１２に締結されている。締結される場所は、第１コンデンサ素子１３と、第２及び第３コンデンサ素子１４、１５との間の空間Ｓｐ１である。

図３は、第１コンデンサ素子１３と第２及び第３コンデンサ素子１４、１５との間の空間Ｓｐ１を横断する断面図であり、３本のボルト１７、１８、及び、１９を横断する断面図である。ボルト１７は、第１コンデンサ素子１３の負電極１３ｎから伸びるバスバ２２の延長部２２ａと、第２コンデンサ素子１４の負電極１４ｎから伸びるバスバ２４の延長部２４ａをケース１２に締結する。ボルト１９は、第１コンデンサ素子１３の負電極１３ｎから伸びるバスバ２２の別の延長部２２ｂと、第３コンデンサ素子１５の負電極１５ｎから伸びるバスバ２７の延長部２７ａをケース１２に締結する。ボルト１８は、第２コンデンサ素子１４の正電極１４ｐから伸びるバスバ２５の延長部２５ａと、第３コンデンサ素子１５の正電極１５ｐから伸びるバスバ２６の延長部２６ａをケース１２に締結する。ボルト１７−１９は、いずれも、第１コンデンサ素子１３と、第２及び第３コンデンサ素子１４、１５との間の空間Ｓｐ１にてケース１２に締結されている。

図３によく示されているように、空間Ｓｐ１には、肉抜き部Ｓｐ２、Ｓｐ３が設けられており、熱が拡散し易くなっている。

第１コンデンサ素子１３の正電極１３ｐには別のバスバ２１が接合している。そのバスバ２１から伸びる延長部２１ａはケース１２の外へと伸びている。

コンデンサユニット１０のバスバと図１のブロック図の関係を説明する。図１のポイントＰ１が、第１コンデンサ素子１３の正電極１３ｐに接合したバスバ２１の延長部２１ａに対応する。ポイントＰ１（延長部２１ａ）には、リアクトル４５の一端が接続されるとともに、電圧コンバータ４のバッテリ側の高電位端子が接続される。

図１のポイントＰ２が、ボルト１８の締結箇所に相当する。図１のポイントＰ３が、ボルト１７の締結箇所に相当し、ポイントＰ４が、ボルト１９の締結箇所に相当する。

なお、電圧コンバータ４は２個のスイッチング素子の直列回路を１セット有しており、インバータ５は２個のスイッチング素子の直列回路を３セット有している。そして、平滑化コンデンサ（第２、第３コンデンサ素子１４、１５）は、それら４セットの直列回路と並列に接続される（図１参照）。バスバ２６と２７からは、それぞれ、各直列回路の高電位端と低電位端に接続する枝端子が伸びているが、図ではその枝端子の図示は省略している。

実施例のコンデンサユニット１０の利点を説明する。フィルタコンデンサ３１（図１参照）を構成する第１コンデンサ素子１３と、平滑化コンデンサ３２（図１参照）を構成する第２及び第３コンデンサ素子１４、１５は、印加される電圧が異なるので発熱量や熱負荷特性が異なる。ケース１２の内部にて、第１コンデンサ素子１３と、第２及び第３コンデンサ素子１４、１５の間には、空間Ｓｐ１が設けられている。図３によく示されているように、空間Ｓｐ１におけるケース１２には肉抜き部Ｓｐ２、Ｓｐ３が設けられており、空気の通りがよい。それゆえ、第１コンデンサ素子１３と、第２及び第３コンデンサ素子１４、１５の熱干渉が小さい。

コンデンサユニット１０は、さらに、その空間Ｓｐ１に、バスバ同士を締結するボルト１７−１９を配置している。特に、並列接続される第２及び第３コンデンサ素子１４、１５の正電極同士を対向させて配置し、それら正電極から伸びるバスバ２５、２６を空間Ｓｐ１の中央で締結することによって、全てのバスバが交錯することなく配索できる。本実施例とは逆に、第２及び第３コンデンサ素子１４、１５を、負電極同士を対向させるように配置すると、それら負電極から伸びるバスバと第１コンデンサ素子１３の負電極から伸びるバスバが空間Ｓｐ１の中央で連結することになるとともに、第２及び第３コンデンサ素子１４、１５の正電極から伸びるバスバを接続しようとすると負電極から伸びるバスバと交錯することになる。実施例のコンデンサユニット１０は、バスバの配索がシンプルであるという利点も有する。また、配索がシンプルとなることでバスバの長さも短くて済む。このことは、バスバのインダクタンス低減に貢献する。

実施例で説明した技術に関する留意点を述べる。ボルト１８が第１締結部材の一例に相当する。ボルト１７が、第２締結部材の一例に相当する。ボルト１９が、第３締結部材の一例に相当する。

以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。

２：バッテリ
３：システムメインリレー
４：電圧コンバータ
５：インバータ
６：モータ
７：電力変換器
１０：コンデンサユニット
１２：ケース
１３：第１コンデンサ素子
１４：第２コンデンサ素子
１５：第３コンデンサ素子
１３ｎ、１４ｎ、１５ｎ：負電極
１３ｐ、１４ｐ、１５ｐ：正電極
１７、１８、１９：ボルト
２１、２２、２４、２５、２６、２７：バスバ
２１ａ、２２ｂ、２４ａ、２５ａ、２６ａ、２７ａ：延長部
３１：フィルタコンデンサ
３２：平滑化コンデンサ
３３：コントローラ
１００：ハイブリッド車
Ｓｐ２、Ｓｐ３：肉抜き部

Claims (1)

1. 昇降圧電圧コンバータの低電圧側に接続される第１コンデンサ素子と高電圧側に並列に接続される第２及び第３コンデンサ素子がケースに収容されているコンデンサユニットであり、
   前記第１、第２、及び、第３コンデンサ素子はいずれも両端に電極を備える直方体をなしており、
   前記第２及び第３コンデンサ素子は、正電極同士が対向するように前記ケース内に配置されており、
   前記第１コンデンサ素子は、負電極が前記第１及び第２コンデンサ素子の側面に対向するように前記ケース内に配置されており、
   前記第２コンデンサ素子の正電極から伸びるバスバと前記第３コンデンサ素子の正電極から伸びるバスバを締結する第１締結部材と、前記第１コンデンサ素子の負電極から伸びるバスバと前記第２コンデンサ素子の負電極から伸びるバスバを締結する第２締結部材と、前記第１コンデンサ素子の負電極から伸びる別のバスバと前記第３コンデンサ素子の負電極から伸びるバスバを締結する第３締結部材とが、前記第１コンデンサ素子と、前記第２及び第３コンデンサ素子との間に配置されている、
   ことを特徴とするコンデンサユニット。