JP2016046927A - 車載用電力変換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】本明細書が開示する電力変換装置は、電力変換回路から車両のボデーに伝わるノイズを低減する。【解決手段】本明細書が開示する電力変換装置は、電力変換回路と筐体とコネクタ連結部とノイズ誘導部材を備える。電力変換回路は導電性の筐体に収容されている。筐体には開口が設けられている。コネクタ連結部は、筐体に設けられており、電力変換回路とバッテリとの間で電力を伝えるパワーケーブルのコネクタ、あるいは、電力変換回路とモータとの間で電力を伝えるパワーケーブルのコネクタを連結する部位である。そのコネクタは、絶縁材を介してパワーケーブルを覆っている導電性のシールド線と導通している。ノイズ誘導部材は、車両のボデーと筐体との接続部位と、開口との間で筐体に接している。ノイズ誘導部材の一端は、連結されたコネクタの外面と筐体外面を導通させる。【選択図】図２

Description

本発明は、電動車両に搭載される電力変換装置に関する。本明細書における「電動車両」には、走行用にモータとエンジンの双方を備えるハイブリッド車と、走行用にモータを備えるがエンジンを備えない電気自動車を含む。燃料電池車も本明細書における「電動車両」に含まれる。

電動車両の電力変換装置は、バッテリ（燃料電池を含む）の直流電力を走行用モータに供給する電力に変換する。電力変換装置の主たる回路である電力変換回路は、典型的には、インバータや電圧コンバータである。それらの回路は、大電流を導通／遮断するスイッチング素子を備える。スイッチング素子は高周波のノイズを発生する。大電流の導通と遮断を繰り返すとノイズも大きくなる。一方、電力変換回路は筐体に収容されるが、筐体に開口が設けられていると、その開口を通じてノイズが筐体の外に漏れる。車両においては一般に、車両のボデーが、電力変換装置を含む車載のデバイスの共通のグランドとして利用される。電力変換装置とバッテリあるいはモータとの間でボデー（グランド）を通じて流れるノイズはコモンモードノイズと呼ばれる。

筐体の開口からのノイズ漏れを防止する技術の一つとして、特許文献１には、開口と平行に開口よりも大きな導体を開口の内側又は外側に配置することが開示されている。

一方、ノイズを積極的に誘導する技術として、特許文献２に例示されるように、車載の電力変換装置とモータを接続するのにシールド付きパワーケーブルが採用されることがある。一般に、シールドの一端は電力変換装置の筐体に導通させる。コモンモードノイズは、シールド線を通じて流れ、これにより他のデバイスに与える影響が抑えられる。

特開２０００−５９０６３号公報 特開２００６−８０２１５号公報

車載の電力変換装置は、通気などの理由により、あるいは、搭載スペースの都合上、上記したような大きな導体を配置できない開口を有する場合がある。高周波のノイズは導体の表面を伝播し易い（表皮効果）。電力変換回路が発したノイズ（コモンモードノイズ）は、筐体内面から開口を通じて筐体外面へと伝わり、車両のボデーへと伝播する。上記したシールド線を採用することによってノイズを誘導することができるが、筐体とボデーの接続部位と開口とシールド線接続部位の配置が適切でないと、一部のノイズは開口と上記接続部位を通じてボデーへと伝播してしまう。本明細書は、車載の電力変換装置から車両のボデーへ伝わるノイズを低減する技術を提供する。

本明細書が開示する車載電力変換装置は、電力変換回路と、その電力変換回路を収容する導電性の筐体と、筐体に設けられたコネクタ連結部を備える。電力変換回路は、バッテリの電力を走行用モータに供給する電力に変換する主たる回路である。導電性の筐体は、車両のボデーに固定される。導電性の筐体は、典型的にはアルミニウムあるいは鉄（鉄合金）で作られる。コネクタ連結部は、電力変換回路とバッテリとの間で電力を伝えるパワーケーブル、あるいは、電力変換回路とモータとの間で電力を伝えるパワーケーブルのコネクタが連結される。

そのコネクタは、絶縁材を介してパワーケーブルを覆っている導電性のシールド線と導通している。従って筐体とコネクタ連結部もコネクタを介してシールド線と導通する。また、筐体は、連結されたコネクタと対向する位置に開口を有している。筐体はさらに、連結されたコネクタの外面と筐体外面を導通させるノイズ誘導部材を備えている。そのノイズ誘導部材は、車両のボデーと筐体との接続部位と開口との間で筐体に接している。

上記の構造によれば、開口を通じて筐体外面を伝わり、ボデーとの接続部位の方向を進むノイズはその途中でノイズ誘導部材へと流れを変える。そのノイズはノイズ誘導部材からコネクタの表面及びコネクタ連結部を伝って筐体に戻り、開口を逆に伝って筐体内面に戻る。筐体内面に戻ったノイズはコネクタ連結部の内側を伝い、さらにはコネクタ内側を伝ってシールド線へと導かれる。こうして、開口を通じて車両ボデーとの接続部位へと向かうノイズの一部は接続部位へは達せず、シールド線へと誘導される。即ち、車載の電力変換装置から車両のボデーへ伝わるノイズが低減される。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。

実施例の電力変換装置を含む電動車両の駆動系のブロック図である。 電力変換装置の一部断面図である。 ノイズ誘導部材を備えない電力変換装置（比較例）の一部断面図である。 変形例の電力変換装置の一部断面図である。

図面を参照して実施例の電力変換装置を説明する。まず、実施例の電力変換装置を含む電動車両の電力系を説明する。図１に、その駆動系のブロック図を示す。実施例の電力変換装置１０が搭載されているのは、走行用にモータ５とともにエンジン６を備えるハイブリッド車２である。モータ５の出力トルクとエンジン６の出力トルクは動力分配機構７により合成されて車軸８へと伝達される。また、動力分配機構７はエンジントルクを車軸８とモータ５に分配する場合もある。その場合は、エンジントルクでモータ５が回転させられて発電する。発電した電力はバッテリ３に蓄えられる。

バッテリ３は、システムメインリレー４を介して電力変換装置１０に接続している。電力変換装置１０は、電力変換を行う主たる回路として、電圧コンバータ回路１２とインバータ回路１３を含む。バッテリ３の直流電力は、電圧コンバータ回路１２で昇圧された後、インバータ回路１３で交流に変換される。こうして、バッテリ３の電力は、モータ５を駆動するための電力に変換される。

電圧コンバータ回路１２は、直列に接続されたトランジスタＴ７、Ｔ８、各トランジスタに逆並列に接続されているダイオードＤ７、Ｄ８、トランジスタの直列回路の中点とバッテリ側の正極端子の間に接続されているリアクトルＬで構成されている。また、電圧コンバータ回路１２のバッテリ側の正負極の端子の間にはフィルタコンデンサＣ１が接続されており、インバータ回路側の正負極の端子の間には平滑コンデンサＣ２が接続されている。電圧コンバータ回路１２は、バッテリ３の電圧を昇圧する機能と、インバータ回路１３を通じてモータ５から送られてくる回生電力を降圧する機能の両方を有する。

インバータ回路１３は、２個のトランジスタの直列回路（Ｔ１とＴ４、Ｔ２とＴ５、Ｔ３とＴ６）が３セット並列に接続された構成を有している。各直列回路の中点から交流が出力される。その交流がモータ５に供給される。インバータ回路１３の各トランジスタＴ１〜Ｔ６にも、ダイオード（Ｄ１〜Ｄ８）が逆並列に接続されている。電圧コンバータ回路１２とインバータ回路１３の各トランジスタＴ１〜Ｔ８を駆動するための信号（ＰＷＭ信号）はコントローラ１４が供給する。

図１の電圧コンバータ回路１２とインバータ回路１３の構成は良く知られているのでその動作の説明は省略するが、各トランジスタには高電圧が印加されるとともに高電流が流れる。それゆえ、トランジスタが導通と遮断を繰り返す毎に比較的大きな高周波ノイズが発生する。なお、図１には、ノイズの伝播経路となる寄生要素（寄生抵抗や寄生容量）と、パワーケーブル（バッテリ３と電圧コンバータ回路１２の間で電力を伝えるケーブル、及び、インバータ回路１３とモータ５の間で電力を伝えるケーブル）を覆うシールド線は図示を省略している。電力変換装置１０は、トランジスタが発生する高周波のノイズを低減する構造を有している。その構造については後に詳しく説明する。

電力変換装置１０の筐体は金属製であり、電力変換回路（電圧コンバータ回路１２あるいはインバータ回路１３）のトランジスタＴ１〜Ｔ８が発生するノイズは筐体を伝播する。電力変換装置１０は、ノイズ対策として、シールド付きパワーケーブルを用いるとともに、次に説明するノイズ誘導部材を備えている。なお、正負の電力線（あるいは信号線）とグランドとの間で伝搬するノイズはコモンモードノイズと呼ばれる。シールド線は、コモンモード対策として有効であるが、後述するように電力変換装置１０は、シールド線を通らず筐体から車両のボデーへと流れるノイズが存在する。ボデーへ拡散したノイズはラジオ電波に影響を与えることがある。

図２を参照して、ノイズ対策のための構造を説明する。図２は、電力変換装置１０の一部断面図である。金属製の筐体１９の中に、図１に示した回路が収容されている。符号４１は、電圧コンバータ回路１２とインバータ回路１３を収容したパワーユニットを示す。符号４３は、コントローラ１４を実装した回路基板を示す。符号４２は、パワーユニット４１に含まれる各トランジスタ（図１のＴ１〜Ｔ８）と回路基板４３に実装されたコントローラ１４とを接続する信号ピンである。

パワーユニット４１からは、バスバ１６ａが伸びている。バスバ１６ａの一端はパワーユニット４１の内部で電圧コンバータ回路１２の入力端に接続しており、他端はボルト３５によって別のバスバ１６ｂの一端と接続している。バスバ１６ｂの他端は、コネクタ連結部１９ａの開口に位置しており、ワイヤハーネス２９のコネクタ２１の端子２２と連結する。バスバ１６ａ、１６ｂは、内部抵抗が小さい金属細長板であり、大電流を伝えるのに適している。バスバ１６ａ、１６ｂとワイヤハーネス２９を介して電圧コンバータ回路１２とバッテリ３（図１参照）との間で電力が伝えられる。

コネクタ連結部１９ａは、ワイヤハーネス２９のコネクタ２１を連結する部位である。コネクタ連結部１９ａは、筐体１９の上部から突出しており、筐体の側面に沿ってほぼ直角に下方に屈曲している。筐体１９には、コネクタ連結部１９ａに連結されたコネクタ２１と対向する位置に開口１８が設けられている。この開口１８の位置は、バスバ１６ａと１６ｂを連結するボルト３５と対向する位置でもあり、開口１８を通じてボルト３５をメンテナンスすることができる。開口１８は、ボルト３５をメンテナンスする目的と、筐体１９の内部の通気を確保する目的で設けられている。

ワイヤハーネス２９は、システムメインリレ−４から伸びている。ワイヤハーネス２９は、導電性のパワーケーブル２３と内側絶縁材２４とシールド線２６と外側絶縁材２７で構成されている。導電性のパワーケーブル２３を内側絶縁材２４が覆っており、その内側絶縁材２４を導電性のシールド線２６が覆っており、そのシールド線２６を外側絶縁材２７が覆っている。シールド線２６は、編組線で作られている。また、シールド線２６の一端は加締め金具２５によって金属製のコネクタ２１に接続しているとともに両者は導通している。図示を省略しているがシールド線２６の他端はバッテリの筐体に接続している。

導電ワイヤのパワーケーブル２３が、バッテリの電力を伝える導電部材である。パワーケーブル２３の先端には端子２２が取り付けられている。コネクタ２１が筐体のコネクタ連結部１９ａに連結されると、端子２２がバスバ１６ｂと接続され、パワーケーブル２３と電圧コンバータ回路１２が導通する。コネクタ２１はボルト３６にてコネクタ連結部１９ａに固定される。

シールド線２６は、金属製のコネクタ２１と導通しており、金属製のコネクタ２１は、電力変換装置１０の筐体１９と導通している。シールド線２６は、筐体内部で発生したノイズを集中的に流すことにより、ノイズが他のデバイスに与える影響を低減する。特に、パワーケーブルを流れるノイズがそのパワーケーブルを覆っているシールド線を伝って戻ることにより、ノイズ電波の放射が抑制される。

先に述べたように、電力変換装置１０は多数のトランジスタＴ１〜Ｔ８を含んでおり、それらのトランジスタはそのスイッチング動作により高周波ノイズを発生する。高周波のノイズは導体の表面をよく伝わる特性（表皮効果）があり、筐体１９やコネクタ２１の表面を伝搬する。一方、筐体１９は、導電性のボルト３３とブラケット３４を介して車両のボデー３７に固定されている。即ち、筐体１９はボルト３３とブラケット３４を介してボデー３７と導通している。筐体１９の表面を伝わるノイズの一部はシールド線２６を通らずにボルト３３とブラケット３４を介してボデー３７へと流れる。ボデー３７へ流れたノイズはボデー全体に拡がる。そのようなノイズは、ラジオの受信電波に影響を与えることがある。それゆえ、ノイズはシールド線２６を通じて集中的に流すのがよい。なお、以下では、ボルト３３とブラケット３４を、筐体とボデーの接続部位ＦＰと称する。

電力変換装置１０は、接続部位ＦＰを通じてボデー３７へ拡散するノイズを低減すべく、ノイズ誘導用の金属製（導電性）の板バネ３１を備えている。板バネ３１は、その一端がボルト３２にて筐体１９と接続しており、他端がコネクタ２１に接触している。板バネ３１のコネクタ側の先端は湾曲しており、その湾曲部がコネクタ２１の側面に押し付けられている。コネクタ２１が連結されていないときには、板バネ３１はコネクタ２１の連結予定位置にまで伸びており、コネクタ２１が連結されると、コネクタ２１に押されて縮む。その結果、板バネ３１の先端はコネクタ２１に押し付けられた状態となる。

板バネ３１と筐体１９との接続点は、ボデー３７と筐体１９との接続部位ＦＰと開口１８の間に位置する。なお、板バネ３１は、開口１８を正面から見たとき（図２の座標系でＸ軸に沿ってみたとき）、開口１８の外縁から接続部位ＦＰへの電流経路を遮断するように伸びているのが好ましい。別言すれば、開口１８を正面から見たとき、板バネ３１の幅は、開口１８の直径よりも大きいことが望ましい。

ただし、開口１８を正面から見たとき、板バネ３１の幅が、開口１８の直径よりも小さくともノイズ低減の効果がある。これは以下の理由による。シールド線２６のノイズはバッテリ３（図２では不図示）の筐体まで達した後、バッテリ３の筐体とパワーケーブル２３との間の浮遊容量を介してパワーケーブル２３に伝搬する。その後、ノイズは、バスバ１６ｂ、バスバ１６ａ、電力変換器１０の順に伝搬する。ノイズは、往路と復路が近いほどそれらの間が低いインピーダンスとなり、流れ易くなる。従って、板バネ３１の幅が、開口１８の直径よりも小さくとも、ノイズは、図２で太線Ｎ２１で示した経路を通ることになる。上記したように、板バネ３１が低インピーダンスであるほど、筐体１９にノイズが流れ易くなる。それゆえ、板バネ３１はその幅が広い方が、ノイズ低減効果（ノイズがボデーに流れ難くなるという効果）は大きくなるが、板バネ３１の幅が小さくとも相応の効果が期待できる。

板バネ３１は、パワーユニット４１の電圧コンバータ回路１２あるいはインバータ回路１３のトランジスタ（Ｔ１〜Ｔ８）から接続部位ＦＰを通じてボデー３７へと伝搬するノイズを低減する。トランジスタが発する高周波ノイズは導体の表面を伝わり易い。図２の破線Ｎ１は、ノイズの伝搬経路を模式的に表している。比較のため、図３に、板バネ３１を備えない比較例の電力変換装置１００の一部拡大断面図を示す。図３の破線Ｎ２は、電力変換装置１００におけるノイズの伝搬経路を模式的に表している。なお、図３では、説明に不要な符号は図示を省略した。

パワーユニット４１（電圧コンバータ回路１２又はインバータ回路１３）のトランジスタが発したノイズは、筐体１９の内面を伝わる。ノイズの一部は開口１８の縁を通じて筐体１９の外面へと伝わる。ノイズのさらに一部は、開口１８の縁から接続部位ＦＰへと向かう。板バネ３１を備えない電力変換装置１００（図３）では、ノイズは接続部位ＦＰに到達し、そこからボデー３７へと流れる。図３の破線Ｎ２がそのときのノイズの伝搬経路を示している。

一方、本実施例の電力変換装置１０では、ノイズは板バネ３１に遮られるので接続部位ＦＰには到達しない。ノイズは、板バネ３１を通じてコネクタ２１の表面へと流れる。その次に、ノイズは筐体のコネクタ連結部１９ａを通り、筐体外面に戻る。さらにノイズは、開口１８を逆に伝って筐体内面へと戻る。ノイズは筐体１９の内面とコネクタ連結部１９ａの内面を伝い、コネクタ２１の内面へ達する。コネクタ２１の内部でノイズは加締め金具２５を介してシールド線２６へと流れる。ノイズはシールド線２６を通じて電力変換装置１０の外部へ誘導される。図２の破線Ｎ１が上記したノイズの伝搬経路を示している。電力変換装置１０は、上記説明したとおり、車両のボデー３７に伝わる高周波ノイズを低減する。

電力変換装置１０の構造の特徴のいくつかを列挙する。コネクタ連結部１９ａは、開口１８をはさんで接続部位ＦＰとは反対側に設けられている。そして、板バネ３１は、開口よりも接続部位ＦＰに近い位置で、筐体１９に接している。この位置関係により、開口１８から接続部位ＦＰへ向かうノイズはその途中で板バネ３１へ流れ、コネクタ２１とコネクタ連結部１９ａを伝って筐体１９の表面に戻り、さらには開口１８を伝って筐体内面へと戻る。

図４に、変形例の電力変換装置１０ａの一部断面図を示す。なお、図４では、コネクタ２１ａの内部構造は図示を省略している。電力変換装置１０ａでは、板バネ３１の代わりに、コネクタ２１ａを筐体１９に固定するボルト３９が設けられている。コネクタ２１ａは、ボルト３６とボルト３９により筐体１９に固定される。ボルト３９は金属製（導電性）であり、ノイズが接続部位ＦＰに到達することを防止し、ノイズをコネクタ２１ａへと導く。

実施例で説明した電力変換装置に関する留意点を述べる。電圧コンバータ回路１２とインバータ回路１３が、電力変換回路の一例に相当する。板バネ３１とボルト３９がノイズ誘導部材の一例に相当する。実施例の電力変換装置１０では、ノイズを誘導する板バネ３１が接触するのはバッテリの電力を伝えるパワーケーブルのコネクタであった。板バネ３１が接触するのはインバータ回路１３からモータに電力を供給するパワーケーブルのコネクタであってもよい。そのパワーケーブルもシールド線で覆われており、その一端がコネクタと電気的に導通していればよい。

ノイズ誘導部材である板バネ３１、あるいは、ボルト３９は、その抵抗値が筐体１９の抵抗値よりも小さい材料で作られているとよい。ノイズ誘導部材の抵抗値が筐体の抵抗値よりも小さいと、筐体の表面を伝うノイズがノイズ誘導部材へと向かい易くなる。

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：ハイブリッド車
３：バッテリ
４：システムメインリレー
５：モータ
６：エンジン
７：動力分配機構
８：車軸
１０、１０ａ：電力変換装置
１２：電圧コンバータ回路
１３：インバータ回路
１４：コントローラ
１６ａ、１６ｂ：バスバ
１８：開口
１９：筐体
１９ａ：コネクタ連結部
２１、２１ａ：コネクタ
２２：端子
２３：パワーケーブル
２４：内側絶縁材
２５：加締め金具
２６：シールド線
２７：外側絶縁材
２９：ワイヤハーネス
３１：板バネ（ノイズ誘導部材）
３２、３３、３５、３６：ボルト
３４：ブラケット
３７：ボデー
３９：ボルト（ノイズ誘導部材）
４１：パワーユニット
４２：信号ピン
４３：回路基板
１００：電力変換装置（比較例）
Ｃ１：フィルタコンデンサ
Ｃ２：平滑コンデンサ
Ｄ１−Ｄ８：ダイオード
ＦＰ：接続部位
Ｌ：リアクトル
Ｔ１−Ｔ８：トランジスタ

Claims (1)

1. バッテリの電力を走行用モータに供給する電力に変換する電力変換回路と、
   前記電力変換回路を収容しているとともに、車両のボデーに固定される導電性の筐体と、
   前記筐体に設けられており、前記電力変換回路と前記バッテリとの間で電力を伝えるパワーケーブルのコネクタ、あるいは、前記電力変換回路と前記モータとの間で電力を伝えるパワーケーブルのコネクタを連結するコネクタ連結部と、
   を備えており、
   前記コネクタは、絶縁材を介して前記パワーケーブルを覆っている導電性のシールド線と導通しており、
   前記筐体は、連結された前記コネクタと対向する位置に開口を有しているとともに、連結された前記コネクタの外面と筐体外面を導通させるノイズ誘導部材を備えており、
   当該ノイズ誘導部材は、前記ボデーと前記筐体との接続部位と前記開口との間で前記筐体に接している、
   ことを特徴とする車載用電力変換装置。

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