JP2016220345A - 車両用電力変換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】装置を小型化できる車両用電力変換装置を提供する。【解決手段】蓄電装置と負荷との間で電力を変換する車両用電力変換装置であって、蓄電装置の直流電力と負荷に供給される交流電力とを変換するパワーモジュールと、外部コネクタを介して供給される交流電力を直流電力に変換して蓄電装置に出力する充電装置と、パワーモジュールと充電装置とに接続され、電圧を平滑化するコンデンサモジュールと、を備える。【選択図】図１

Description

本発明は、電動自動車やハイブリッド自動車等に搭載される車両用電力変換装置に関するものである。

電動自動車やハイブリッド自動車等に搭載される電力変換装置は、蓄電装置（バッテリ）の直流電力をインバータにより交流電力に変換してモータを駆動する。

このような電力変換装置において、外部の商用電源等からバッテリを充電させるコネクタ及び充電器を備えたもの（特許文献１）が知られている。

特開２０１０−２５９２７４号公報

特許文献１に記載の従来の技術において、バッテリの電力をインバータに供給する場合と、充電器によりバッテリを充電する場合とで、リレーにより回路を切り換えている。そのため、インバータに用いられる平滑コンデンサに加えて、充電器に突入電力を抑制する平滑化コンデンサを備える必要があり、電力変換装置が大型化し、重量が増加するという問題があった。

本発明は、このような問題点に着目してなされたものであり、装置を小型化できる車両用電力変換装置を提供することを目的とする。

本発明のある実施態様によると、蓄電装置と負荷との間で電力を変換する車両用電力変換装置であって、蓄電装置の直流電力と負荷に供給される交流電力とを変換するパワーモジュールと、外部コネクタを介して供給される交流電力を直流電力に変換して蓄電装置に出力する充電装置と、パワーモジュールと充電装置とに接続され、それぞれの作動時の電圧を平滑化するコンデンサモジュールと、を備えることを特徴とする。

本発明によると、コンデンサモジュールは、パワーモジュールと充電装置とに接続され、それぞれの作動時の電圧を平滑化するように構成されているので、コンデンサモジュールをパワーモジュールと充電装置とで共用することで、電力変換装置を小型化することができ、重量を軽減できる。

本発明の実施形態の電力変換装置の機能ブロック図である。 本発明の実施形態の電力変換装置の構成ブロック図である。 本発明の実施形態の電力変換装置の構成ブロック図である。 本発明の実施形態の電力変換装置の電気回路図である。

以下に、本発明の実施形態を図面を参照して説明する。

図１は、本発明の実施形態の電力変換装置１の機能ブロック図である。

電力変換装置１（車両用電力変換装置）は、電動車両又はプラグインハイブリッド車両に備えられ、蓄電装置（バッテリ）５の電力を回転電機（モータジェネレータ）６の駆動に適した電力に変換する。モータジェネレータ６は、電力変換装置１から供給される電力により駆動され、車両が駆動される。

電力変換装置１は、モータジェネレータ６の回生電力を直流電力に変換して、バッテリ５を充電する。また、電力変換装置１は、車両に備えられた急速充電用のコネクタ又は普通充電用のコネクタから電力が供給されることで、バッテリ５を充電する。

バッテリ５は、例えばリチウムイオン二次電池で構成される。バッテリ５は、電力変換装置１に直流電力を供給し、電力変換装置１から供給される直流電力により充電される。バッテリ５の電圧は例えば２４０Ｖ〜４００Ｖの間で変動し、それよりも高い電圧が入力されることで、バッテリ５が、充電される。

モータジェネレータ６は、例えば永久磁石同期電動機として構成される。モータジェネレータ６は、電力変換装置１から供給される交流電力により駆動されて、車両を駆動する。車両が減速するときは、モータジェネレータ６が回生電力を発生する。

電力変換装置１は、ケース２内に、コンデンサモジュール１０、パワーモジュール２０、ＤＣ／ＤＣコンバータ３０、充電装置４０、充電・ＤＣＤＣコントローラ５０及びインバータコントローラ７０を備える。これら各部は、バスバー又は配線により電気的に接続される。

コンデンサモジュール１０は、複数のコンデンサ素子（図４参照）により構成される。コンデンサモジュール１０は、電圧を平滑化することで、ノイズの除去や電圧変動の抑制を行なう。コンデンサモジュール１０は、第１バスバー１１と、第２バスバー１２と、電力配線１３とを備える。

第１バスバー１１は、パワーモジュール２０に接続される。第２バスバー１２は、ＤＣ／ＤＣコンバータ３０、リレー６１、バッテリ５及び電動コンプレッサ９に接続される。電力配線１３は、可撓性を有するケーブル（例えばリッツ線）により構成され、充電装置４０に接続される。第１バスバー１１と、第２バスバー１２と、電力配線１３とは、コンデンサモジュール１０の内部で正極と負極とを共有する。

パワーモジュール２０は、複数のパワー素子（図４参照）をＯＮ／ＯＦＦすることにより直流電力と交流電力とを相互に変換する。複数のパワー素子は、パワーモジュール２０に備えられるドライバ基板２１によりＯＮ／ＯＦＦが制御される。

パワーモジュール２０は、コンデンサモジュール１０の第１バスバー１１に接続される。第１バスバー１１は、正極及び負極からなる３組のバスバーからなる。パワーモジュール２０は、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相からなる３相の出力バスバー２４を備える。出力バスバー２４は、電流センサ２２に接続される。電流センサ２２は、モータジェネレータ６側に三相の交流電力を出力するモータ側バスバー２５を備える。

インバータコントローラ７０は、車両のコントローラ（図示せず）からの指示及び電流センサ２２からのＵ相、Ｖ相、Ｗ相の電流の検出結果に基づいて、パワーモジュール２０を動作させる信号をドライバ基板２１に出力する。ドライバ基板２１は、インバータコントローラ７０からの信号に基づいて、パワーモジュール２０を制御する。インバータコントローラ７０、ドライバ基板２１、パワーモジュール２０及びコンデンサモジュール１０により、直流電力と交流電力とを相互に変換するインバータモジュールが構成される。

ＤＣ／ＤＣコンバータ３０は、バッテリ５から供給される直流電力の電圧を変換して、他の機器へと供給する。ＤＣ／ＤＣコンバータ３０は、バッテリ５の直流電力（例えば４００Ｖ）を１２Ｖの直流電力に降圧する。降圧された直流電力は、車両に備えられるコントローラや照明、ファン等の電源として供給される。ＤＣ／ＤＣコンバータ３０は、第２バスバー１２を介してコンデンサモジュール１０及びバッテリ５に接続される。

充電装置４０は、車両に備えられる充電用の外部コネクタから普通充電コネクタ８１を介して供給される商用電源（例えば交流２００Ｖ）を直流電力（例えば５００Ｖ）に変換する。充電装置４０により変換された直流電力は、電力配線１３からコンデンサモジュール１０を介してバッテリ５に供給される。これによりバッテリ５が充電される。

充電・ＤＣＤＣコントローラ５０は、電力変換装置１によるモータジェネレータ６の駆動及びバッテリ５の充電を制御する。具体的には、充電・ＤＣＤＣコントローラ５０は、車両のコントローラからの指示に基づいて、充電装置４０による普通充電コネクタ８１を介したバッテリ５の充電、急速充電コネクタ６３を介したバッテリ５の充電及びモータジェネレータ６の駆動、ＤＣ／ＤＣコンバータ３０による降圧を制御する。

リレーコントローラ６０は、充電・ＤＣＤＣコントローラ５０の制御により、リレー６１の断続を制御する。リレー６１は、正側リレー６１ａ及び負側リレー６１ｂにより構成される。リレー６１は、外部コネクタから急速充電コネクタ６３を介して接続された場合に通電し、急速充電コネクタ６３から供給される直流電力（例えば５００Ｖ）を第２バスバー１２へと供給する。供給された直流電力によりバッテリ５が充電される。

図２及び図３は、本実施形態の電力変換装置１の構成ブロック図である。図２は電力変換装置１の上面図であり、図３は、電力変換装置１の側面図である。

ケース２の内部では、コンデンサモジュール１０の周囲に、パワーモジュール２０、ＤＣ／ＤＣコンバータ３０及び充電装置４０が配置される。

より具体的には、コンデンサモジュール１０は、ケース２の内部において、パワーモジュール２０と充電装置４０との間に配置される。コンデンサモジュール１０はＤＣ／ＤＣコンバータ３０に積層され、コンデンサモジュール１０の下方側にＤＣ／ＤＣコンバータ３０が配置される。充電装置４０は充電・ＤＣＤＣコントローラ５０に積層され、充電・ＤＣＤＣコントローラ５０の下方側に充電装置４０が配置される。

コンデンサモジュール１０の一方の側面には、第１バスバー１１が突出する。第１バスバー１１には、パワーモジュール２０が直接螺合等により接続される。パワーモジュール２０において、第１バスバー１１とは逆側に、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相からなる３相の出力バスバー２４が突出する。

出力バスバー２４には、電流センサ２２が直接螺合等により接続される。電流センサ２２の下方側（図３参照）には、モータ側バスバー２５が突出する。モータ側バスバー２５は、パワーモジュール２０の出力バスバー２４のＵ相、Ｖ相、Ｗ相それぞれに直接接続され、３相の交流電力を出力する。モータ側バスバー２５は、ケース２から露出して構成され、ハーネス等によりモータジェネレータ６に接続される。

パワーモジュール２０の上面にはドライバ基板２１が積層される。ドライバ基板２１の上方には、インバータコントローラ７０とリレーコントローラ６０とが積層して配置される。

コンデンサモジュール１０の底面側には、第２バスバー１２が突出する。第２バスバー１２は、コンデンサモジュール１０の下方に積層して配置されるＤＣ／ＤＣコンバータ３０に直接螺合により接続される。第２バスバー１２は、また、正側リレー６１ａ及び負側リレー６１ｂへと接続される（図１参照）。

第２バスバー１２は、バッテリ５が接続されるバッテリ側コネクタ５１と電動コンプレッサ９が接続されるコンプレッサ側コネクタ５２とに、バスバー１４を介して接続する。

ＤＣ／ＤＣコンバータ３０は、バスバー３１を介して車両側コネクタ８２に接続される。車両側コネクタ８２は、ＤＣ／ＤＣコンバータ３０が出力する直流電源を車両の各部に供給するハーネス等が接続される。

コンデンサモジュール１０の第１バスバー１１とは反対の側には、電力配線１３が突出する。電力配線１３は、可撓性を有する柔軟なケーブルであり、充電装置４０に接続される。充電装置４０は普通充電コネクタ８１にバスバー４１を介して接続される。

信号線コネクタ６５は、電力変換装置１のＤＣ／ＤＣコンバータ３０、充電装置４０、充電・ＤＣＤＣコントローラ５０及びインバータコントローラ７０に接続される信号線を、ケース２の外部とで接続する。

信号線コネクタ６５から充電・ＤＣＤＣコントローラ５０へと信号線５５が接続される。信号線５５は、充電・ＤＣＤＣコントローラ５０からリレーコントローラ６０に至る信号線６２と同梱されて、コンデンサモジュール１０の上面を通過して充電・ＤＣＤＣコントローラ５０のコネクタ５６に接続される。コンデンサモジュール１０の上面には信号線５５及び信号線６２を支持するガイド部５８が形成される。

ケース２は、上ケース２ａと下ケース２ｂとにより構成される。下ケース２ｂには冷却水流路４が形成されている。冷却水流路４には冷却水が流通するように構成されており、冷却水流路４の直上に載置されるパワーモジュール２０、ＤＣ／ＤＣコンバータ３０及び充電装置４０を冷却する。

このように、コンデンサモジュール１０は、第１バスバー１１、第２バスバー１２及び電力配線１３を介してパワーモジュール２０、ＤＣ／ＤＣコンバータ３０及び充電装置４０とに接続される。このような構成により、コンデンサモジュール１０と、パワーモジュール２０、ＤＣ／ＤＣコンバータ３０及び充電装置４０との距離を短くできるので、直流電力の経路での抵抗（Ｒ）やインダクタンス（Ｌ）を小さくすることができ、電力損失や電気ノイズを低減できる。

さらに、コンデンサモジュール１０を、発熱量が多いパワーモジュール２０と充電装置４０との間に配置したので、パワーモジュール２０と充電装置４０とで互いに熱による影響を与えることを抑制できる。特に、パワーモジュール２０の動作（モータジェネレータ６の力行、回生）と、充電装置４０の動作（普通充電コネクタ８１によるバッテリ５の充電）とは同時に実行されることがないので、これらの間での熱による影響を排除することができる。

次に、コンデンサモジュール１０の構成を説明する。

図４は本実施形態のコンデンサモジュール１０を中心とした電気回路図である。

コンデンサモジュール１０は、コンデンサケース１１０の内部に複数のコンデンサ１２０が収容されて構成される。コンデンサモジュール１０は、正極及び負極からなる一対の内部バスバー１３０を備え、一対の内部バスバー１３０の間に複数のコンデンサ１２０が並列に接続される。コンデンサ１２０及び内部バスバー１３０は樹脂材料によりモールドされる。

内部バスバー１３０は、第１バスバー１１、第２バスバー１２及び電力配線１３へとそれぞれ分岐する。

第１バスバー１１は、パワーモジュール２０のＵ相、Ｖ相、Ｗ相の３相に対応する３組の正極及び負極のバスバーからなり、コンデンサケース１１０の底面から一方の側面へと突設される。

第２バスバー１２は１組の正極及び負極のバスバーからなり、コンデンサケース１１０の底面から前述の一方の側面に隣接する第２の側面へと突設される。電力配線１３は、正極及び負極を有する可撓性を有するケーブルからなり、コンデンサケース１１０の底面側に延設される。

第１バスバー１１は、ケース２に内装されている状態でコンデンサモジュール１０の一方の側面側に位置するパワーモジュール２０が備えるＵ相、Ｖ相、Ｗ相の３相に対応する端子に接する形状とされている。第１バスバー１１は、パワーモジュール２０の端子に接する状態で螺合等により連結される。

第２バスバー１２は、ケース２に内装されている状態でコンデンサモジュール１０の底面側に位置するＤＣ／ＤＣコンバータ３０が備える端子に接する形状とされている。第２バスバー１２は、ＤＣ／ＤＣコンバータ３０の端子に接する状態で螺合等により連結される。ＤＣ／ＤＣコンバータ３０の端子には、バスバー１４が接続される。バスバー１４は、リレー６１、バッテリ側コネクタ５１及びコンプレッサ側コネクタ５２へと接続される。

電力配線１３は、ケース２に内装されている状態でコンデンサモジュール１０の前記一方の側面に対向する側面に位置する充電装置４０が備える端子へと接続される。電力配線１３は可撓性を有するので、充電装置４０の上方に配置される充電・ＤＣＤＣコントローラ５０や、ケース２内に備えられる他の部品や構造物を避けて、充電装置４０の端子に接続される。

このような構成により、パワーモジュール２０は、モータジェネレータ６の力行及び回生時（充電装置４０が動作していないとき）に動作し、コンデンサモジュール１０はこのときのパワーモジュール２０の直流電力を平滑化する。充電装置４０は、パワーモジュール２０が動作していない普通充電コネクタ８１によるバッテリ５の充電時に動作し、コンデンサモジュール１０はこのときの充電装置４０の直流電力を平滑化する。このように、コンデンサモジュール１０が、パワーモジュール２０と充電装置４０との直流電力を平滑化する平滑コンデンサとして機能する。

以上のように、本発明の実施形態では、蓄電装置（バッテリ５）と負荷（モータジェネレータ６）との間で電力を変換して供給する電力変換装置１であって、バッテリ５の直流電力とモータジェネレータ６に供給する交流電力とを変換するパワーモジュール２０と、外部コネクタ（普通充電コネクタ８１）を介して供給される電力によりバッテリ５を充電させる充電装置４０と、パワーモジュール２０と充電装置４０とに接続され、パワーモジュール２０と充電装置４０とで、それぞれの作動時の電圧を平滑化するコンデンサモジュールと、を備えるように構成した。

このように構成することにより、パワーモジュール２０と充電装置４０との電力ライン上にコンデンサモジュール１０を備える。すなわち、コンデンサモジュール１０が、パワーモジュール２０と充電装置４０とで共用されるので、個別にコンデンサを別に設ける必要がなく、電力変換装置１のサイズを小型化することができると共に、電力変換装置の重量を軽減できる。

また、本発明の実施形態の電力変換装置１は、バッテリ５の直流電圧を変換するＤＣ／ＤＣコンバータ３０を備え、ＤＣ／ＤＣコンバータ３０は、コンデンサモジュール１０に接続され、コンデンサモジュール１０が、パワーモジュール２０と、充電装置４０と、ＤＣ／ＤＣコンバータ３０とで、それぞれの作動時における電圧を平滑化する。

このように構成することにより、ＤＣ／ＤＣコンバータ３０に平滑化のためのコンデンサを別に設ける必要がなく、電力変換装置１のサイズを小型化することができると共に、電力変換装置の重量を軽減できる。

また、本発明の実施形態の電力変換装置１は、コンデンサモジュール１０は、第１の端子（第１バスバー１１）、第２の端子（第２バスバー１２）及び第３の端子（電力配線１３）を備え、第１の端子はパワーモジュール２０に接続され、第２の端子はＤＣ／ＤＣコンバータ３０に接続され、第３の端子は、コンデンサモジュール１０における第１の端子が設けられる側とは逆の側に備えられ、充電装置４０に接続される。このような構成により、ケース２内でコンデンサモジュール１０と、パワーモジュール２０、ＤＣ／ＤＣコンバータ３０及び充電装置４０と電力経路を短くできるので、直流電力の経路での抵抗（Ｒ）やインダクタンス（Ｌ）を小さくすることができ、電力損失や電気ノイズを低減できると共に、電力変換装置１を小型化することができる。

また、本発明の実施形態の電力変換装置１は、負荷（モータジェネレータ６）とは異なる電動コンプレッサ９に接続するコンプレッサ側コネクタ５２と、コンデンサモジュール１０とコンプレッサ側コネクタと５２を接続する第４の端子（バスバー１４）を備えたので、ノイズを発生する可能性のある電動コンプレッサ９に接続する第４の端子ノイズを、コンデンサモジュール１０により平滑化することができる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、上記実施形態は本発明の適用例の一つを示したものに過ぎず、本発明の技術的範囲を上記実施形態の具体的構成に限定する趣旨ではない。

上記実施形態では、コンデンサモジュール１０と充電装置４０との間を可撓性を有するケーブル（電力配線１３）により接続したが、これに限られない。コンデンサモジュール１０と充電装置４０との間をバスバーにより接続してもよいし、コンデンサモジュール１０と、パワーモジュール２０又はＤＣ／ＤＣコンバータ３０との間を可撓性を有するケーブルにより接続してもよい。

１ 電力変換装置（車両用電力変換装置）
２ ケース
２ａ 上ケース
２ｂ 下ケース
４ 冷却水流路
５ 蓄電装置（バッテリ）
６ 電動機（モータ）
９ 電動コンプレッサ
１０ コンデンサモジュール
１１ 第１バスバー
１２ 第２バスバー
１３ 電力配線
１４ バスバー
２０ パワーモジュール
３０ ＤＣ／ＤＣコンバータ
４０ 充電装置
５０ 充電・ＤＣＤＣコントローラ
５２ コンプレッサ側コネクタ
６０ リレーコントローラ
６１ リレー
７０ インバータコントローラ
８１ 普通充電コネクタ
８２ 車両側コネクタ
１１０ コンデンサケース
１２０ コンデンサ
１３０ 内部バスバー

本発明のある実施態様によると、蓄電装置と負荷との間で電力を変換する車両用電力変換装置であって、蓄電装置の直流電力と負荷に供給される交流電力とを変換するパワーモジュールと、外部コネクタを介して供給される交流電力を直流電力に変換して蓄電装置に出力する充電装置と、パワーモジュールと充電装置とに接続され、それぞれの作動時の電圧を平滑化するコンデンサモジュールと、を備え、コンデンサモジュールは、パワーモジュールのＵ相、Ｖ相、Ｗ相の３相に対応する端子に直接固定される第１バスバーと、蓄電装置に接続される第２バスバーと、充電装置に接続される電力配線と、が導出され、第１バスバーと、第２バスバーと、電力配線とは、コンデンサモジュールの内部バスバーから分岐することを特徴とする。

Claims (4)

1. 蓄電装置と負荷との間で電力を変換する車両用電力変換装置であって、
   前記蓄電装置の直流電力と前記負荷に供給される交流電力とを変換するパワーモジュールと、
   外部コネクタを介して供給される交流電力を直流電力に変換して前記蓄電装置を充電させる充電装置と、
   前記パワーモジュールと前記充電装置とに接続され、それぞれの作動時の電圧を平滑化するコンデンサモジュールと、
   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に記載の車両用電力変換装置であって、
   前記蓄電装置から供給される直流電圧を変換するＤＣ／ＤＣコンバータを備え、
   前記ＤＣ／ＤＣコンバータは、前記コンデンサモジュールに接続され、
   前記コンデンサモジュールが、前記パワーモジュール、前記充電装置と及び前記ＤＣ／ＤＣコンバータにおけるぞれぞれの作動時の電圧を平滑化する
   ことを特徴とする車両用電力変換装置。
3. 請求項２に記載の車両用電力変換装置であって、
   前記コンデンサモジュールは、第１の端子、第２の端子及び第３の端子を備え、
   前記第１の端子は、前記パワーモジュールに接続され、
   前記第２の端子は、前記ＤＣ／ＤＣコンバータに接続され、
   前記第３の端子は、前記コンデンサモジュールにおける前記第１の端子が設けられる側とは逆の側に備えられ、前記充電装置に接続される。
   ことを特徴とする車両用電力変換装置。
4. 請求項１に記載の車両用電力変換装置であって、
   前記負荷とは異なる電動コンプレッサに接続されるコネクタと、前記コンデンサモジュールと前記コネクタとを接続される第４の端子を備えることを特徴とする車両用電力変換装置。

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