JP2018079810A - 車両用電力変換装置ユニット - Google Patents

Abstract

【課題】バッテリの電圧端子と電力変換装置の出力端子とを接続するバッテリケーブルを簡易な冷却構造で冷却することにより、電力変換装置の出力端子の温度上昇を抑制する。
【解決手段】車両用電力変換装置ユニットにおいて、バッテリケーブル５の少なくとも一部を、電力変換装置４が作動している時のバッテリケーブル５よりも低温のエンジンルーム２の内壁に沿って配線し、固定部材により内壁２ａと接触するように固定する。これにより、電力変換装置４が作動している時のバッテリケーブル５を放熱させて冷却することができると共に、電力変換装置４の出力端子４ａの温度上昇を抑制することが可能である。また、バッテリケーブル５の一部を走行風が当たるように配置することにより、バッテリケーブル５が自然空冷され、冷却効果が向上する。
【選択図】図１

Description

本発明は、車両に搭載されたバッテリの電力を複数のスイッチング素子により変換して出力する電力変換装置と、バッテリの電圧端子と電力変換装置の出力端子とを接続するバッテリケーブルとを備えた車両用電力変換装置ユニットに関し、特に、バッテリケーブルの冷却構造に関する。

自動車等の車両には、主バッテリの電力を変換して車両走行用の駆動モータに電力を供給する走行用インバータや、主バッテリの電力を降圧変換して補機バッテリを充電するＤＣ−ＤＣコンバータ等、複数の電力変換装置が搭載されている。これらの電力変換装置は、作動によって発熱するため、安定した駆動を確保するために放熱する必要があり、従来、空冷式や水冷式の冷却装置が利用されている。

近年、パワーデバイスのスイッチング周波数の高速化や電力半導体装置の小型化に伴い、より効率的な放熱構造が求められている。特に、スイッチング素子として、炭化珪素（ＳｉＣ）、窒化ガリウム（ＧａＮ）等のワイドバンドギャップ半導体が用いられることが増えており、従来のシリコン（Ｓｉ）半導体よりも高速スイッチングおよび高周波駆動が可能となっている。ワイドバンドギャップ半導体を用いた電力変換装置は、小型化が可能である反面、内部部品が高密度実装となるため、熱的な制約を受け易い。

車両用電力変換装置の冷却装置の先行例として、特許文献１には、車両のボンネットの下部に、電力変換装置の熱によって気化する冷媒が封入された冷媒タンクと、空気と気化冷媒とを熱交換する冷媒放熱器とを備えた電気自動車用放熱装置が開示されている。この先行例では、冷媒タンクの車両後方側に冷媒放熱器を配置し、ボンネットと冷媒タンクとで、冷媒放熱器へ空気を送る空気通路を形成し、この空気通路内に導かれた空気によって冷媒タンクと冷媒放熱器の両方を冷却している。

特許第３５１３８４６号公報

上記特許文献１では、冷媒タンクの下面に車両走行用インバータ、ＤＣ−ＤＣコンバータ等の電力変換装置を取り付け、インバータ用スイッチング素子、コンバータ用スイッチング素子各々の放熱面を、熱伝導性の良好なグリスまたはシート等を介して冷媒タンクの下面に固定することにより、各スイッチング素子で発生した熱が冷媒タンクを介して内部の冷媒に効率的に伝わるようにしている。

この先行例のように、従来の電力変換装置においては、パワートランジスタ等の半導体素子よりなるスイッチング素子を放熱させることが重要課題であり、そのための冷却構造は検討され、実施されている。一方、電力変換装置の出力端子は、バッテリの電圧端子の接触抵抗や接続される負荷の負荷電流、あるいは走行モードや駆動電圧等の様々な要因によって発熱する箇所であるが、出力端子の温度上昇を抑制するための対策は未だとられていない。また、バッテリの電圧端子と電力変換装置の出力端子とを接続するバッテリケーブルの冷却構造についても検討されていないのが実情である。

本発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、バッテリの電圧端子と電力変換装置の出力端子とを接続するバッテリケーブルを簡易な冷却構造で冷却することにより、出力端子の温度上昇を抑制することが可能な車両用電力変換装置ユニットを提供することを目的とする。

本発明に係る車両用電力変換装置ユニットは、車両に搭載されたバッテリの電力を複数のスイッチング素子により変換して出力する電力変換装置と、バッテリの電圧端子と電力変換装置の出力端子とを接続するバッテリケーブルとを備えた車両用電力変換装置ユニットであって、バッテリケーブルの少なくとも一部は、電力変換装置が作動している時のバッテリケーブルよりも低温の構造物に沿って該構造物と接触するように配線されるものであり、該構造物は、車両の構成部材または車両に搭載された部材である。

本発明に係る車両用電力変換装置ユニットによれば、バッテリケーブルの少なくとも一部を車両の構成部材または車両に搭載された部材に接触させるという簡易な冷却構造で、バッテリケーブルを放熱させて冷却することができ、電力変換装置の出力端子の温度上昇を抑制することが可能である。

本発明の実施の形態１に係る車両用電力変換装置ユニットにおけるバッテリケーブルの冷却構造を示す上面図である。 本発明の実施の形態１に係る車両用電力変換装置ユニットにおけるバッテリケーブルの別の冷却構造を示す上面図である。 本発明の実施の形態２に係る車両用電力変換装置ユニットにおけるバッテリケーブルの冷却構造を示す上面図である。 本発明の実施の形態２に係る車両用電力変換装置ユニットにおけるバッテリケーブルの別の冷却構造を示す上面図である。 本発明の実施の形態２に係る車両用電力変換装置ユニットにおけるバッテリケーブルの別の冷却構造の変形例を示す上面図およびバッテリケーブルの断面図である。 本発明の実施の形態３に係る車両用電力変換装置ユニットにおけるバッテリケーブルの冷却構造を示す上面図である。 本発明の実施の形態３に係る車両用電力変換装置ユニットにおけるバッテリケーブルの別の冷却構造を示す上面図である。

実施の形態１．
以下に、本発明の実施の形態１に係る車両用電力変換装置ユニットについて、図面に基づいて説明する。図１および図２は、本実施の形態１に係る車両用電力変換装置ユニットにおけるバッテリケーブルの冷却構造を示している。なお、各図において、同一、相当部分には、同一符号を付している。

車両１の前方に位置するエンジンルーム２には、本実施の形態１に係る車両用電力変換装置ユニット３、補機バッテリ６、および冷却装置７が搭載され、他に、図示しないエンジン、高電圧バッテリ、ブレーキ用オイルタンク、ラジエータおよび冷却水タンク等が搭載されている。

車両用電力変換装置ユニット３は、電力変換装置４とバッテリケーブル５とを備えている。電力変換装置４は、例えばＤＣ−ＤＣコンバータであり、主バッテリである高電圧バッテリの直流電力を、複数のスイッチング素子により所定の直流電力に下降変換して補機バッテリ６に出力し、補機バッテリ６を充電させる。バッテリケーブル５は、補機バッテリ６の電圧端子６ａと電力変換装置４の出力端子４ａとを接続する。

電力変換装置４のスイッチング素子には、従来のシリコン（Ｓｉ）半導体を用いた半導体素子の他、シリコン半導体よりも高速スイッチングおよび高周波駆動が可能な炭化珪素（ＳｉＣ）、窒化ガリウム（ＧａＮ）等のワイドバンドギャップ半導体を用いた半導体素子が用いられる。

補機バッテリ６は、エンジン始動時のスタータに電力を供給すると共に、エンジン回転中には発電機によって定電圧で電力が供給され充電される。補機への電力供給は、主に補機バッテリ６の電力によって賄われる。なお、補機とは、例えばパワーステアリング装置、投光装置、各種電子制御ユニット等である。補機バッテリ６は、２種類の異なる電極と、希硫酸等の電解液で構成されており、ケーブル接続のための電圧端子６ａは樹脂製の蓋に取り付けられている。冷却装置７は、水、不凍液、冷却油等の冷却液を循環させることにより、電力変換装置４を冷却する。

電力変換装置４の出力端子４ａおよびバッテリケーブル５は、電力変換装置４の作動時に発熱する。本実施の形態１では、バッテリケーブル５の少なくとも一部を、電力変換装置４が作動している時のバッテリケーブル５よりも低温の構造物に沿って該構造物と接触するように配線し、この構造物によってバッテリケーブル５を放熱させて冷却することにより、電力変換装置４の出力端子４ａの温度上昇を抑制する。

本実施の形態１では、バッテリケーブル５を接触させる構造物として、車両１の構成部材を用いる。図１に示す例では、バッテリケーブル５の一部は、エンジンルーム２の内壁２ａに沿って配線され、固定部材（図示省略）により内壁２ａと接触するように固定されている。

また、図２に示す例では、バッテリケーブル５の一部は車両１のフレームであるフロントサイドメンバ８に沿って配線され、固定部材（図示省略）によりフロントサイドメンバ８と接触するように固定されている。フロントサイドメンバ８は、エンジンルーム２の両側に車両１の前後方向に沿って設けられ、その前端部はフロントバンパ裏に配置されたフロントバンパリンホースメンバ９によって接合されている。

エンジンルーム２の内壁２ａおよびフロントサイドメンバ８は、車両１の走行による走行風（図中、矢印Ａで示す）や外気によって冷却されるため、通常、電力変換装置４が作動している時のバッテリケーブル５よりも低温である。さらに、図１および図２に示すように、バッテリケーブル５の一部を走行風が当たるように配置することにより、バッテリケーブル５が自然空冷され、冷却効果がさらに向上する。

なお、本実施の形態１では、補機バッテリ６がエンジンルーム２に搭載される場合について説明したが、車種によっては主バッテリや補機バッテリ６が車両１の後方のトランクルーム（図示省略）に搭載される場合もある。その場合、車両用電力変換装置ユニット３はトランクルームに搭載され、バッテリケーブル５は、トランクルームの内壁やトランクルーム内部に配置されたフレームに接触するように配線される。

本実施の形態１によれば、バッテリケーブル５の少なくとも一部を、車両１の構成部材であるエンジンルーム２の内壁２ａまたはフロントサイドメンバ８に接触させて配線することにより、電力変換装置４が作動している時のバッテリケーブル５を放熱させて冷却することができると共に、電力変換装置４の出力端子４ａの温度上昇を抑制することが可能である。また、バッテリケーブル５の一部が走行風に当たるように配置することにより、
バッテリケーブル５が自然空冷され、冷却効果が向上する。

実施の形態２．
図３、図４、および図５は、本発明の実施の形態２に係る車両用電力変換装置ユニットにおけるバッテリケーブルの冷却構造を示している。上記実施の形態１では、バッテリケーブル５を接触させる構造物として、車両１の構成部材であるエンジンルーム２の内壁２ａとフロントサイドメンバ８を用いたが、本実施の形態２では、車両１に搭載された部材を用いる。なお、その他の構成については、上記実施の形態１と同様であるので説明を省略する。

図３に示す例では、バッテリケーブル５の一部を冷却装置７の配管ホース７ｂに沿って配線し、結束バンド１０により配管ホース７ｂと接触するように固定している。冷却装置７によって冷却された冷却液は、配管ホース７ａを通って電力変換装置４に送られ、電力変換装置４の内部を流れた後、配管ホース７ｂを通って冷却装置７に戻る。配管ホース７ａ、７ｂは、冷却液により冷却されているため、電力変換装置４が作動している時のバッテリケーブル５よりも低温である。

なお、図３では、バッテリケーブル５は冷却装置７の戻り側の配管ホース７ｂに固定されているが、送り側の配管ホース７ａに固定することもできる。送り側の配管ホース７ａには、冷却装置７により冷却された冷却液が流れているため、冷却効果が高い。また、冷却装置７により循環される冷却液は、水、不凍液、冷却油のいずれであってもよい。さらに、図３に示す冷却装置７は、電力変換装置４を冷却するものであるが、車両１のエンジンまたはモータを冷却する冷却装置（図示省略）の配管ホースを用いてもよい。

また、図４に示す例では、バッテリケーブル５の一部を電力変換装置４の金属筐体に沿って配線し、固定部材（図示省略）により金属筐体と接触するように固定している。すなわち、電力変換装置４の金属筐体をヒートシンクとして利用している。さらに、バッテリケーブル５の少なくとも一部を、車両１のエンジンを冷却するラジエータ１１の冷却ファン１２による風（図中、矢印Ｂで示す）の流路内に配置し、バッテリケーブル５の冷却効果を高めている。

ラジエータ１１の冷却ファン１２は、ＥＣＵ（Ｅｎｇｉｎｅ ｃｏｎｔｏｒｏｌ ｕｎｉｔ）により、ラジエータ１１の冷却液の温度に応じて動作を制御されている。なお、バッテリケーブル５の一部を、ラジエータ１１の冷却ファン１２の下部に沿って配線するようにしてもよい。冷却ファン１２の下部には、まくり揚げられた走行風が当たるため、バッテリケーブル５が自然空冷され、冷却効果がさらに向上する。

また、図５（ｂ）に示すように、バッテリケーブル５を、電磁波による放射ノイズや微弱ノイズをシールドする金属ケース５ａで包囲し、この金属ケース５ａをヒートシンクとして利用してもよい。この例では、図５（ａ）に示すように、金属ケース５ａで包囲されたバッテリケーブル５を、電力変換装置４の金属筐体と接触させることにより、放熱効果がさらに高まる。

さらに、図５では、電力変換装置４の金属筐体と、バッテリケーブル５を包囲する金属ケース５ａは、走行風（図中、矢印Ａで示す）が当たるように配置されている。走行風は、電力変換装置４の上部を通過し、バッテリケーブル５を包囲する金属ケース５ａと電力変換装置４の金属筐体が自然空冷され、冷却効果がさらに向上する。

なお、主バッテリや補機バッテリ６が車両１の後方のトランクルームに搭載された場合、車両用電力変換装置ユニット３および冷却装置７もトランクルームに搭載される。この場合も、トランクルームにおいて、バッテリケーブル５の一部を冷却装置７の配管ホースに沿って配線することができる。また、バッテリケーブル５の一部を電力変換装置４の金属筐体に沿って配線してもよい。さらに、バッテリケーブル５をシールド効果のある金属ケース５ａで包囲してもよい。

本実施の形態２によれば、バッテリケーブル５の少なくとも一部を、車両１に搭載された部材である冷却装置７の配管ホース７ｂまたは電力変換装置４の金属筐体に接触させて配線することにより、電力変換装置４が作動している時のバッテリケーブル５を放熱させて冷却することができると共に、電力変換装置４の出力端子４ａの温度上昇を抑制することが可能である。

また、バッテリケーブル５の少なくとも一部を、車両１のエンジンを冷却するラジエータ１１の冷却ファン１２による風の流路内に配置することにより、冷却効果が向上する。さらに、バッテリケーブル５を金属ケース５ａで包囲することにより、金属ケース５ａがヒートシンクとなり冷却効率が向上する。また、金属ケース５ａで包囲されたバッテリケーブル５の一部および電力変換装置４の金属筐体を、走行風が当たるように配置することにより、金属ケース５ａおよび金属筐体が自然空冷され、冷却効果が向上する。

実施の形態３．
図６および図７は、本発明の実施の形態３に係る車両用電力変換装置ユニットにおけるバッテリケーブルの冷却構造を示している。本実施の形態３では、上記実施の形態２によるバッテリケーブル５の冷却構造に加え、エンジンルーム２の内部に吸気ダクト１３、送風機１４、ブロア（図示省略）等を設置し、バッテリケーブル５に積極的に風を当てて冷却効果を高めるものである。

図６に示す例では、エンジンルーム２の内部に、車両１の走行による走行風（図中、矢印Ａで示す）を取り込んで排気する吸気ダクト１３を備え、バッテリケーブル５の少なくとも一部を、吸気ダクト１３からの排気（図中、矢印Ｃで示す）が当たるように配置している。また、バッテリケーブル５の少なくとも一部は、上記実施の形態２と同様に、電力変換装置４の金属筐体に沿って金属筐体と接触するように配線されている。

吸気ダクト１３は、車両１前方からの走行風を吸込み口１３ａから取り込み、排気孔１３ｂから排気する。なお、吸気ファンと一体化された吸気ダクト１３を用いることにより、強制的に空気を吸入させるようにしてもよい。図６では、吸気ダクト１３を２箇所に設けたが、１箇所であってもよいし、３箇所以上であってもよい。

また、図７に示す例では、吸気ダクト１３に加え、エンジンルーム２の内部に送風機１４を備え、バッテリケーブル５の少なくとも一部を、送風機１４からの風（図中、矢印Ｄで示す）が当たるように配置している。吸気ダクト１３からの排気と、送風機１４からの風により、バッテリケーブル５の広い範囲を冷却することが可能となる。なお、送風機１４の設置位置は、図７に示す位置に限定されるものではない。

また、図６および図７において、電力変換装置４の金属筐体と、この金属筐体に接触するように配線されたバッテリケーブル５の一部は、走行風（図中、矢印Ａで示す）が当たるように配置されている。走行風は、電力変換装置４の上部を通過し、バッテリケーブル５の一部と電力変換装置４の金属筐体が自然空冷され、冷却効果がさらに向上する。

本実施の形態３によれば、上記実施の形態１および実施の形態２と同様の効果に加え、吸気ダクト１３からの排気や送風機１４からの風をバッテリケーブル５に積極的に当てるようにしたので、冷却効果がさらに向上する。特に、バッテリケーブル５が広い範囲に亘
って配線される場合に、一部を電力変換装置４の金属筐体に接触させ、他の一部を吸気ダクト１３からの排気で冷却し、さらに他の一部を送風機１４からの風で冷却することができる。また、送風機１４を備えているので、車両１が走行していない場合にも、バッテリケーブル５の一部および電力変換装置４の金属筐体等を空冷することができる。

なお、上記実施の形態１から実施の形態３では、主バッテリである高電圧バッテリの直流電力を所定の直流電力に下降変換して補機バッテリ６に出力する電力変換装置４を含む車両用電力変換装置ユニット３について説明したが、本発明は、これに限定されるものではない。本発明は、高電圧バッテリの直流電流を所定の三相交流電力に変換し、駆動モータに出力する電力変換装置を含む車両用電力変換装置ユニットにも適用可能である。また、本発明は、その発明の範囲内において、各実施の形態を自由に組み合わせたり、各実施の形態を自由に入れ替えたり、各実施の形態を適宜、変形、省略したりすることが可能である。

本発明は、バッテリの電圧端子と電力変換装置の出力端子とを接続するバッテリケーブルの冷却構造として利用することができる。

１ 車両、２ エンジンルーム、２ａ 内壁、３ 車両用電力変換装置ユニット、
４ 電力変換装置、４ａ 出力端子、５ バッテリケーブル、５ａ 金属ケース、
６ 補機バッテリ、６ａ 電圧端子、７ 冷却装置、７ａ、７ｂ 配管ホース、
８ フロントサイドメンバ、９ フロントバンパリンホースメンバ、１０ 結束バンド、１１ ラジエータ、１２ 冷却ファン、１３ 吸気ダクト、１３ａ 吸込み口、
１３ｂ 排気孔、１４ 送風機

本発明に係る車両用電力変換装置ユニットは、車両に搭載されたバッテリの電力を複数のスイッチング素子により変換して出力する電力変換装置と、バッテリの電圧端子と電力変換装置の出力端子とを接続するバッテリケーブルとを備えた車両用電力変換装置ユニットであって、電力変換装置の金属筐体は、車両のエンジンを冷却するラジエータの冷却ファンによる風、または車両の走行による走行風が当たるように配置され、バッテリケーブルの少なくとも一部は、金属筐体に沿って金属筐体と接触するように配線されているものである。

本発明に係る車両用電力変換装置ユニットによれば、バッテリケーブルの少なくとも一部を電力変換装置の金属筐体に接触させるという簡易な冷却構造で、バッテリケーブルを放熱させて冷却することができ、電力変換装置の出力端子の温度上昇を抑制することが可能である。

Claims (12)

1. 車両に搭載されたバッテリの電力を複数のスイッチング素子により変換して出力する電力変換装置と、前記バッテリの電圧端子と前記電力変換装置の出力端子とを接続するバッテリケーブルとを備えた車両用電力変換装置ユニットであって、
   前記バッテリケーブルの少なくとも一部は、前記電力変換装置が作動している時の前記バッテリケーブルよりも低温の構造物に沿って前記構造物と接触するように配線され、前記構造物は、前記車両の構成部材または前記車両に搭載された部材であることを特徴とする車両用電力変換装置ユニット。
2. 前記構造物は、前記車両のエンジンルームまたはトランクルームの内壁であることを特徴とする請求項１記載の車両用電力変換装置ユニット。
3. 前記構造物は、前記車両のフレームであることを特徴とする請求項１記載の車両用電力変換装置ユニット。
4. 前記構造物は、冷却液を循環させて前記車両のエンジンまたはモータまたは前記電力変換装置を冷却する冷却装置の配管ホースであり、前記冷却液は、水または不凍液または冷却油であることを特徴とする請求項１記載の車両用電力変換装置ユニット。
5. 前記構造物は、前記電力変換装置の金属筐体であることを特徴とする請求項１記載の車両用電力変換装置ユニット。
6. 前記バッテリケーブルは、電磁波による放射ノイズをシールドする金属ケースに包囲されていることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の車両用電力変換装置ユニット。
7. 前記バッテリケーブルの少なくとも一部は、前記車両の走行による走行風が当たるように配置されていることを特徴とする請求項１から請求項６のいずれか一項に記載の車両用電力変換装置ユニット。
8. 前記バッテリケーブルの少なくとも一部は、前記車両のエンジンを冷却するラジエータの冷却ファンによる風の流路内に配置されていることを特徴とする請求項１から請求項７のいずれか一項に記載の車両用電力変換装置ユニット。
9. 前記車両の走行による走行風を取り込んで排気する吸気ダクトを備え、前記バッテリケーブルの少なくとも一部は、前記吸気ダクトからの排気が当たるように配置されていることを特徴とする請求項１から請求項８のいずれか一項に記載の車両用電力変換装置ユニット。
10. 前記吸気ダクトは、前記吸気ダクトに空気を吸入させる吸気ファンと一体化されていることを特徴とする請求項９記載の車両用電力変換装置ユニット。
11. 送風機またはブロアを備え、前記バッテリケーブルの少なくとも一部は、前記送風機または前記ブロアからの風が当たるように配置されていることを特徴とする請求項１から請求項１０のいずれか一項に記載の車両用電力変換装置ユニット。
12. 前記スイッチング素子は、ワイドバンドギャップ半導体を用いた半導体素子であることを特徴とする請求項１から請求項１１のいずれか一項に記載の車両用電力変換装置ユニット。

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