JP2017121867A - 車両用電力変換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】本明細書は、コンデンサを備えている車両用電力変換装置に関し、衝突の衝撃からコンデンサを保護する技術を提供する。【解決手段】電力変換装置２は、その筐体１０の内部に、直流電源の電力が印加されるコンデンサ（コンデンサユニット２０）が収容されている。コンデンサユニット２０の正極端子２３と負極端子２４の間に絶縁部材２５が配置されている。また、コンデンサユニット２０は、切欠２２が設けられているリブ２１を備えており、その切欠２２に挿通されたボルト３２により筐体１０の内部に固定されている。絶縁部材２５は、衝突の際に正極端子２３と負極端子２４の短絡を防止する。また、コンデンサユニット２０は、電力変換装置の筐体１０が衝突荷重を受けたとき、切欠２２を通じてボルト３２がコンデンサユニット２０から外れることで、コンデンサユニット２０に加わる衝撃が緩和される。【選択図】図２

Description

本発明は、直流電源の電力を走行用モータの駆動電力に変換する車両用電力変換装置に関する。

直流電源の電力を走行用モータの駆動電力に変換する車両用電力変換装置は、直流電源の電力が印加されるコンデンサを備えることが多い。走行用モータ用の電力を蓄える直流電源は出力電力が大きく、それゆえ、コンデンサは比較的に大きな体格を有していることが多い（例えば特許文献１）。以下では、説明を簡単にするため、「車両用電力変換装置」を単に「電力変換装置」と称する。

特開２００５−３３２８７９号公報

走行用モータのための直流電源から供給される大電力が印加されるコンデンサなど、車両に搭載される高電圧デバイスには、衝突安全性が求められる。本明細書は、衝突の衝撃からコンデンサを保護する技術を提供する。

本明細書が開示する電力変換装置（車両用電力変換装置）は、その筐体内部に、直流電源の電力が印加されるコンデンサが収容されている。コンデンサの正極端子と負極端子の間に絶縁部材が配置されている。また、コンデンサは、切欠が設けられているリブを備えており、その切欠に挿通されたボルトにより電力変換装置の筐体内部に固定されている。上記の電力変換装置では、まず、コンデンサの正極端子と負極端子の間に絶縁部材を配置する。この絶縁部材は、衝突の際に外れた何らかの導電部材が正極端子と負極端子の間に挟まり両者を短絡させてしまうことを防止する。また、コンデンサは、リブの切欠に挿通されたボルトで電力変換装置の筐体内部に固定される。電力変換装置の筐体が衝突荷重を受けたとき、切欠を通じてボルトがコンデンサから外れ、すなわちコンデンサが筐体から離脱し、コンデンサに加わる衝撃が緩和される。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気自動車の電力系のブロック図である。 電力変換装置の分解斜視図である。 図中のＸＺ平面で電力変換装置の筐体をカットした部分断面図である。 図中のＹＺ平面で電力変換装置の筐体をカットした断面図である。 コンデンサの一つのリブ周辺の平面図である。 変形例のリブの周辺の平面図である。

図面を参照して実施例の電力変換装置を説明する。実施例の電力変換装置は、電気自動車に搭載される。図１に実施例の電力変換装置２を含む電気自動車９０の電力系のブロック図を示す。電力変換装置２は、高電圧バッテリ３の直流電力を走行用のモータ９１の駆動電力に変換するデバイスである。具体的には、電力変換装置２は、高電圧バッテリ３の直流電力を昇圧した後に交流に変換し、走行用のモータ９１に出力する。電力変換装置２は、電圧コンバータ回路１９と、インバータ回路９を備えている。電圧コンバータ回路１９は、バッテリ側から入力された電力を昇圧してインバータ回路側に出力する昇圧機能と、インバータ回路側から入力された電力を降圧してバッテリ側に出力する降圧機能を備えている。電圧コンバータ回路１９は、いわゆる、双方向コンバータ回路である。電気自動車９０は、ブレーキペダルが踏まれると、車両の運動エネルギを利用してモータ９１で発電する。発電で得た電力は回生電力を呼ばれる。インバータ回路９は、交流の回生電力を直流に変換し、電圧コンバータ回路１９へ供給する。このとき、電圧コンバータ回路１９は、降圧機能により、直流電力に変換された回生電力の電圧を下げて高電圧バッテリ３へ供給する。

電圧コンバータ回路１９は、フィルタコンデンサ４、リアクトル５、２個のスイッチング素子６ａ、６ｂ、及び、２個のダイオード７ａ、７ｂを備えている。それらの素子は、図１の回路を構成している。図１の電圧コンバータ回路１９の回路構成はよく知られているので詳しい説明は省略する。

インバータ回路９も良く知られているので、図１ではインバータ回路９の回路構成の図示も省略している。電圧コンバータ回路１９とインバータ回路９の間に平滑コンデンサ８が接続されている。平滑コンデンサ８には、高電圧バッテリ３の供給電力が昇圧された後に印加される。高電圧バッテリ３の出力電圧は例えば３００ボルトであり、電圧コンバータ回路１９は、例えば、高電圧バッテリ３の３００ボルトの電力を６００ボルトまで昇圧してインバータ回路９へ供給する。従って平滑コンデンサ８には６００ボルトまで昇圧されたバッテリ電力が印加される。１００ボルト以上の大電力が印加される平滑コンデンサ８は容量が大きい。

図２に、電力変換装置２の分解斜視図を示す。電力変換装置２の筐体１０は、上ケース１１と下ケース１２に分かれている。筐体１０の内部には、コンデンサユニット２０が収容される。ハードウエアとしてのコンデンサユニット２０が、図１の回路図における平滑コンデンサ８に対応する。筐体１０には、コンデンサユニット２０の他に、図１の電圧コンバータ回路１９に相当するハードウエア、インバータ回路９に相当するハードウエア、電圧コンバータ回路１９のスイッチング素子やインバータ回路９のスイッチング素子を制御する制御基板、スイッチング素子などを冷却する冷却器が収容されるが、それらの図示と説明は省略する。

ハードウエアとしてのコンデンサユニット２０は、樹脂製の本体の内部に、図１の平滑コンデンサ８に相当する素子（コンデンサ素子）が埋設されている。先に述べたように、１００ボルト以上の大電力が印加される平滑コンデンサ８（コンデンサ素子）は容量が大きく、そのため、コンデンサユニット２０は体格が大きい。コンデンサユニット２０は、正極端子２３と負極端子２４を備える。正極端子２３と負極端子２４は、コンデンサユニット２０の上面から延びている。正極端子２３と負極端子２４は、コンデンサユニット２０の本体内部のコンデンサ素子につながっている。

正極端子２３と負極端子２４の間には絶縁部材２５が配置されている。絶縁部材２５は、コンデンサユニット２０の樹脂製の本体から延びている。絶縁部材２５は、正極端子２３と負極端子２４が短絡してしまうことを防止する。例えば、車両衝突時など、何らかの要因で筐体１０の内部で導電体片がデバイスから外れて動き回れるようになり、その導電体片が正極端子２３と負極端子２４に同時に接すると両者が短絡してしまう。絶縁部材２５は、そのような短絡を防止する。また、衝突時など、正極端子２３又は負極端子２４の一方が折れ曲がると、両者が接触する虞がある。絶縁部材２５は、そのような接触も防止する。

コンデンサユニット２０は、その本体の四隅にリブ２１を備えている。各リブ２１には、ボルト３２が挿通される貫通孔２１ａと、貫通孔２１ａに達する切欠２２が設けられている。コンデンサユニット２０は、四隅のリブ２１の貫通孔２１ａのボルト３２を挿通し、そのボルト３２で下ケース１２（筐体１０）に固定される。下ケース１２には、ボルト３２を留めるための台座部１３が設けられており、その台座部１３にボルト３２が螺合し、コンデンサユニット２０が下ケース１２（筐体１０）に固定される。

切欠２２の幅はボルト３２が挿通できるだけの大きさを有している。切欠２２の幅は、貫通孔２１ａの直径と同じであり、貫通孔２１ａと切欠２２は区別が無く、両者を合わせて切欠２２と表現してもよい。即ち、コンデンサユニット２０は、切欠２２に挿通されたボルト３２によって下ケース１２（筐体１０）の内部に固定される。

下ケース１２の開口周囲のリブ１２ａに、上ケース１１の開口周囲のリブ１１ａが合わせられ、両者は、ボルト３１で相互に固定される。

図３に図中のＸＺ断面で筐体１０をカットした断面図を示し、図４に、図中のＹＺ平面で筐体１０をカットした断面図を示す。図３は、正極端子２３付近の部分断面図である。図３も図４も、筐体内部の部品は側面が描かれている。

図３、図４に示すように、上ケース１１の内側には電力変換装置２の別のデバイス３４が収容されている。デバイス３４は、例えば、図１に示した電圧コンバータ回路１９を実現するハードウエアである。デバイス３４から正極端子３５と負極端子３６が延びている。筐体１０の内部で、コンデンサユニット２０の正極端子２３とデバイス３４の正極端子３５が接続され、コンデンサユニット２０の負極端子２４とデバイス３４の負極端子３６が接続される。図３、図４に示されているように、コンデンサユニット２０は下ケース１２に収容されるが、正極端子２３と負極端子２４は、下ケース１２と上ケース１１の境界を越して、上ケース１１の内部へと延びている。

電力変換装置２は、電気自動車に搭載される。コンデンサユニット２０には１００ボルト以上の高電圧が印加されるため、衝突時の安全性確保が重要である。先に述べたように、コンデンサユニット２０の正極端子２３と負極端子２４は、下ケース１２と上ケース１１の境界を越えて延びている。衝突によって電力変換装置２の下ケース１２と上ケース１１がずれると、正極端子２３と負極端子２４は折れ曲がる可能性がある。そのような場合でも、正極端子２３と負極端子２４の間に位置する絶縁部材２５が、正極端子２３と負極端子２４の短絡を防止する。

また、電力変換装置２が衝突荷重を受けると筐体１０の一部が変形する虞がある。あるいは衝突荷重により筐体１０の一部が破損する虞もある。コンデンサユニット２０は、リブ２１に設けられた貫通孔２１ａ（切欠２２）を通じてボルト３２で下ケース１２（筐体１０）に固定されている。筐体１０の一部が変形した場合、あるいは、筐体１０の一部が破損した場合、切欠２２を通じてボルト３２がリブ２１から外れ、筐体１０の変形した部分（あるいは破損した部分）からコンデンサユニット２０が離脱する。コンデンサユニット２０が離脱することでコンデンサユニット２０が受けるダメージが緩和される。

図５に、一つのリブ２１の周辺の平面図を示す。例えば、矢印Ｆ１が示す方向の衝突荷重を受けた場合、図５の破線が示す範囲が、矢印Ａ１が示す方向に変形する。あるいは、破線が示す範囲が破断する場合がある。このとき、下ケース１２の変形部分（破断部分）とともに、ボルト３２は、切欠２２を通過して矢印Ｂ１の方向へ移動することができる。下ケース１２の一部が矢印Ａ１の方向に変形しても（あるいは破断しても）、コンデンサユニット２０は変形せずに済み、コンデンサユニット２０が衝突荷重から受けるダメージが緩和される。

車載装置の衝突安全性を考慮する場合、衝突荷重の方向を想定することがある。典型的には、電力変換装置２が車両の前部空間に搭載される場合、車両前方から衝突荷重を受けることを想定して電力変換装置２の衝突安全性が考慮される。たとえば、図中のＸ軸の負方向が車両前方に相当する場合、図５に示したように、電力変換装置２には、Ｘ軸の正方向を向く衝突荷重が加わる可能性が高い。そのような場合、図２に示したように、全てのリブ２１の切欠２２は、切欠の開いている部分が、想定される衝突荷重の向く方向、即ち、図中の座標系のＸ方向を向くように設けることが好ましい。

図６に切欠の変形例を示す。図６の電力変換装置では、コンデンサユニット２０のリブ１２１は、図中の破線Ｌに沿って切欠１２２が設けられている。車両の衝突安全性の評価指標の一つに、斜め衝突に対する安全性がある。これは車両の右（あるいは左）前方から障害物が衝突する衝突モードである。例えば、電力変換装置２が、車両前部空間の左側に搭載された場合であって、左前方からの衝突に対する安全性を高めたい場合、切欠想定する衝突荷重の向く方向、即ち、右後方を向くように切欠２２を向けることが好ましい。図６において、破線Ｌが想定される衝突荷重の方向を示す。図６の矢印Ｆ２が、想定される衝突荷重を示す。この場合、破線円の部分は、矢印Ｆ２と同じ方向、即ち、矢印Ａ２の方向に変形する（あるいは破断して移動する）。そのような斜めの衝突荷重を想定する場合、切欠１２２の開いた部分が、矢印Ｆ２、Ａ２と同じ方向（即ち、直線Ｌに沿った方向）を向くように切欠１２２を設けるとよい。

実施例で説明した技術に関する留意点を述べる。実施例において、正極端子２３と負極端子２４の間に備えられている絶縁部材２５は、コンデンサユニット２０の本体から延びている。この絶縁部材２５は、正極端子２３と負極端子２４の短絡を防止するだけでなく、筐体１０の内部におけるコンデンサユニット２０の位置決めに活用されてもよい。例えば、筐体１０の上ケース１１の内側にスリットが設けられており、そのスリットに絶縁部材２５が嵌合することで、上ケース１１に対するコンデンサユニット２０の位置が正確に定まる。

実施例の電力変換装置２では、コンデンサユニット２０の正極端子２３と負極端子２４の間に設けられた絶縁部材２５が、両端子の短絡を防止する。また、コンデンサユニット２０は、その本体のリブ２１に設けられた切欠２２（１２２）を通じてボルト３２にて下ケース１２（筐体１０）に固定される。電力変換装置２が衝突の衝撃を受けた際、ボルト３２が切欠２２（１２２）の中を滑ることにより、コンデンサユニット２０が筐体１０から外れ、コンデンサユニット２０が受けるダメージが緩和される。絶縁部材２５と切欠２２（１２２）が、高電圧バッテリ３の電力が印加される体格の大きなコンデンサユニット２０を車両衝突時に保護する。

実施例のコンデンサユニット２０が請求項の「コンデンサ」の一例に相当する。実施例の高電圧バッテリ３が請求項の「直流電源」の一例に相当する。直流電源は、燃料電池であってもよい。実施例の電力変換装置２は、電圧コンバータ回路１９とインバータ回路９を備えていたが、必ずしも両者を備える必要はない。

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：電力変換装置
３：高電圧バッテリ
４：フィルタコンデンサ
５：リアクトル
８：平滑コンデンサ
９：インバータ回路
１０：筐体
１１：上ケース
１２：下ケース
１３：台座部
１９：電圧コンバータ回路
２０：コンデンサユニット
２１、１２１：リブ
２１ａ：貫通孔
２２、１２２：切欠
２３：正極端子
２４：負極端子
２５：絶縁部材
３１、３２：ボルト
３４：デバイス
３５：正極端子
３６：負極端子
９０：電気自動車
９１：モータ

Claims (1)

1. 直流電源の電力を走行用モータの駆動電力に変換する車両用電力変換装置であり、
   前記電力変換装置の筐体内部に、前記直流電源の電力が印加されるコンデンサが収容されており、
   前記コンデンサの正極端子と負極端子の間に絶縁部材が配置されており、
   前記コンデンサは、切欠が設けられているリブを備えており、当該切欠に挿通されたボルトによって前記筐体内部に固定されている、車両用電力変換装置。

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