JP2019165549A - 電力変換装置および蓄電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】発熱部品から電力変換回路の他の部品への熱的影響を低減できる電力変換装置を提供する。【解決手段】電力変換装置10は、電力変換部12および筐体11を備える。電力変換部12は、電力変換を行う電力変換回路40、および電力変換回路40に接続され電力変換に伴って発熱する発熱部品43を有する。筐体11は、内部に区画された第１の空間35および第２の空間36を有し、第１の空間35に電力変換回路40が配置され、第２の空間36に発熱部品43または発熱部品43に熱的に接続される放熱部品65が配置される。【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、電力変換を行う電力変換装置および蓄電池システムに関する。

従来、例えば太陽光発電モジュールなどを備える発電システムや商用電力を供給する系統電源などと接続される蓄電システムがある。この蓄電システムは、太陽光発電システムの発電電力を蓄電したり、系統電源の料金が安い夜間などの時間帯に電力を蓄電したりして、必要時に蓄電した電力を負荷に供給するように構成されている。

このような蓄電システムでは、蓄電池モジュールを備えた蓄電池装置と電力変換を行う電力変換部を備えた電力変換装置（パワーコンディショナ）とを別体とした分離形や、蓄電池モジュールと電力変換部とを一体に備えた一体形の蓄電池システムなどがある。

電力変換部は、直流電力と交流電力との変換を行う電力変換回路を備え、この電力変換回路の部品にはリアクトルやスイッチング素子などの発熱量の大きい発熱部品が含まれる。

電力変換部は、筐体内に収納されるが、筐体の大きさの制約や小形化のために、発熱部品の熱が電力変換回路の他の部品などに影響するおそれがある。

特開２０１８−７４３５号公報

本発明が解決しようとする課題は、発熱部品から電力変換回路の他の部品への熱的影響を低減できる電力変換装置および蓄電池システムを提供することである。

実施形態の電力変換装置は、電力変換部および筐体を備える。電力変換部は、電力変換を行う電力変換回路、および電力変換回路に接続され電力変換に伴って発熱する発熱部品を有する。筐体は、内部に区画された第１の空間および第２の空間を有し、第１の空間に電力変換回路が配置され、第２の空間に発熱部品または発熱部品に熱的に接続される放熱部品が配置される。

実施形態の電力変換装置によれば、発熱部品から電力変換回路の他の部品への熱的影響を低減することが期待できる。

第１の実施形態を示す電力変換装置の正面側から見た断面斜視図である。 同上電力変換装置の背面側から見た断面斜視図である。 同上電力変換装置の背面側から見た断面斜視図である。 同上電力変換装置の背面側から見た斜視図である。 同上電力変換装置の正面側から見た斜視図である。 第２の実施形態を示す蓄電池システムの正面側から見た断面斜視図である。 同上蓄電池システムの背面カバーを省略した背面側から見た斜視図である。 同上蓄電池システムの背面側から見た斜視図である。 同上蓄電池システムの正面側から見た斜視図である。

以下、第１の実施形態を、図１ないし図５を参照して説明する。

図１ないし図５に電力変換装置（パワーコンディショナ）10を示す。この電力変換装置10は、蓄電池モジュールを備えた蓄電池装置と組み合わせて、例えば住宅などに設置される蓄電システムに用いられる。そして、電力変換装置10は、例えば系統電源の電力を交流から直流に変換して蓄電池装置に蓄電し、必要時に蓄電池装置に蓄電した電力を直流から交流に変換して負荷へと供給するように構成されている。

電力変換装置10は、筐体11、この筐体11内に収納される電力変換部12、およびこの電力変換部12が有する発熱部品を冷却する冷却装置13を備えている。

そして、筐体11は、主ケース15、この主ケース15の前面側に配置される前面カバー16、および主ケース15の背面側に配置される背面ケース17を備えている。

主ケース15は、背面部20、上面部21、下面部22、および左右の側面部23，24を有し、前面側が開口した箱状に形成されている。背面部20の中央領域には、左右方向に沿って横長の開口部25が形成されている。下面部22には、例えば系統電源および負荷が接続される分電盤や蓄電池装置などとの配線が挿通される図示しない配線部が設けられている。

前面カバー16は、主ケース15の前端に図示しないパッキングを介して取り付けられている。

背面ケース17は、背面部26、上面部27、下面部28、および左右の側面部29，30を有し、前面側が開口した箱状に形成されている。背面ケース17の前端側が主ケース15の背部側に固定されて一体化されている。左右の側面部29，30には、前後方向に長いスリット状で上下方向に並んだ複数の通気口31，32が形成されている。下面部28にも、前後方向に長いスリット状で左右方向に並んだ複数の通気口33が形成されている。そして、背面ケース17は、住宅の壁面に取り付けるための壁面取付部材としても機能する。

主ケース15と前面カバー16との間に第１の空間35が形成され、主ケース15と背面ケース17との間に第２の空間36が形成されている。これら第１の空間35と第２の空間36とは、主ケース15の背面部20が仕切板として機能して区画形成されている。

また、電力変換部12は、例えば系統電源の電力を交流から直流に変換して蓄電池装置に蓄電し、必要時に蓄電池装置に蓄電した電力を直流から交流に変換して負荷へと供給する電力変換回路40を備えている。電力変換回路40は、交流電力を直流電力に変換するコンバータ、および直流電力を交流電力に変換するインバータなどを備えている。これらコンバータおよびインバータは、電力変換を行う電界効果トランジスタなどの複数のスイッチング素子41や、変換する電力の脈流を平滑したり昇圧する複数のリアクトル42を備えている。これらスイッチング素子41およびリアクトル42は、電力変換回路40を構成する他の部品よりも発熱量が大きく、冷却することが好ましい発熱部品43である。

電力変換回路40は、交流電力の入出力を行う交流入出力基板、交流電力と直流電力の変換を行う電力変換基板、制御を行う制御基板などを含む複数の基板44を備えている。これら基板44は、複数の基板取付部材45によってそれぞれ支持され、筐体11の第１の空間35に配置されている。そして、電力変換回路40は筐体11の第１の空間35に配置されるが、複数のリアクトル42は筐体11の第２の空間36に配置されている。

複数の基板44のうち、電力変換を行う基板44aには複数のスイッチング素子41が接続されている。複数のスイッチング素子41は、基板44aの下縁から突出した状態に配置されている。基板44aは、主ケース15の背面部20の開口部25の上側で背面部20に対向して配置されている。この基板44aに接続されている複数のスイッチング素子41が背面部20の開口部25に対向する位置に配置されている。さらに、基板44aと主ケース15の背面部20（基板取付部材45）との間には熱伝導性に優れた放熱シート46が介在されている。放熱シート46は、複数のスイッチング素子41が接続された接続箇所の近傍であって上側に配置されている。

また、冷却装置13は、筐体11の第２の空間36に配置されている。冷却装置13は、リアクトル42用の冷却ユニット50と、スイッチング素子41用の冷却ユニット51とを備えている。

冷却ユニット50は、通気路部材53、およびファン54を備えている。通気路部材53は、背面部55、上面部56、下面部57、および左右の側面部58，59を有し、左右方向に長く、前面側が開口されている。通気路部材53は、主ケース15の背面部20の背面側に左右方向に沿って取り付けられている。通気路部材53内には、左右方向に沿って通気路60が形成されている。この通気路60内に沿って複数のリアクトル42が配置されている。これらリアクトル42は、通気路部材53の背面部55に取り付けられ、主ケース15からは離反されている。

通気路部材53の左側の側面部58であって通気路60の一端側には、外部から空気を吸い込んで通気路60内に送風するファン54が配置されている。

通気路部材53の右側の側面部59であって通気路60の他端側には、前後方向に長いスリット状で上下方向に並んだ複数の排気口61が形成されている。

通気路60の一端側のファン54は、背面ケース17の左側の側面部29に設けられている通気口31のうちの上部領域の通気口31に対向し、この上部領域の通気口31から外気を吸い込んで通気路60内に送風する。したがって、上部領域の通気口31は、通気路60内に外気を吸い込む吸気口62として機能する。

通気路60の他端側の排気口61は、背面ケース17の右側の側面部30に設けられている通気口32のうちの上部領域の通気口32に対向し、通気路60内から排気される空気を上部領域の通気口32から外部に排気する。したがって、上部領域の通気口32は、通気路60からの空気を排気する排気口63として機能する。

また、冷却ユニット51は、放熱部品65、通気路部材66およびファン67を備えている。

放熱部品65は、例えばアルミニウムなどの金属製で、平板状のベース部68、このベース部68の背面側から突設された複数のフィン部69、ベース部68の前面側から突設された突部70を有している。複数のフィン部69は、左右方向に沿って長く、上下方向に並んで設けられている。そして、放熱部品65は、突部70は主ケース15の背面部20の開口部25に嵌合された状態で、ベース部68が背面部20の背面側に固定されている。放熱部品65の突部70は、背面部20の開口部25から第１の空間35に突出され、複数のスイッチング素子41の背面側に対向配置されている。スイッチング素子41は、熱伝導性に優れた放熱キャップ71が装着され、放熱部品65にねじ72で締め付け固定される固定板73によって放熱部品65の突部70に圧接され、熱的に接続されている。したがって、発熱部品43である複数のスイッチング素子41に接続された放熱部品65が筐体11の第２の空間36に配置されている。

通気路部材66は、背面部74、上面部75、下面部76、左右の側面部77，78を有し、左右方向に長く、前面側が開口されている。通気路部材66は、主ケース15の背面部20の背面側に左右方向に沿って取り付けられている。通気路部材66内には、左右方向に沿って通気路79が形成されている。この通気路79内に、放熱部品65が配置されている。

通気路部材66の右側の側面部78であって通気路79の一端側には、外部から空気を吸い込んで通気路79内に送風するファン67が配置されている。

通気路部材66の左側の側面部77であって通気路79の他端側には、前後方向に長いスリット状で上下方向に並んだ複数の排気口80が形成されている。

通気路79の一端側のファン67は、背面ケース17の右側の側面部30に設けられている通気口32のうちの下部領域の通気口32に対向し、この下部領域の通気口32から外気を吸い込んで通気路79内に送風する。したがって、下部領域の通気口32は、外気を吸い込む吸気口81として機能する。

通気路79の他端側の排気口80は、背面ケース17の左側の側面部29に設けられている通気口31のうちの下部領域の通気口31に対向し、通気路79内から排気される空気を下部領域の通気口31から外部に排気する。したがって、下部領域の通気口31は、通気路79からの空気を排気する排気口82として機能する。

そして、冷却装置13、および通気口31，32，33を有する背面ケース17により、筐体11の第２の空間36と筐体11の外部を通気する通気構造84が構成されている。

そして、電力変換装置10の動作時、発熱するスイッチング素子41やリアクトル42を冷却装置13によって冷却する。

図２に示すように、冷却装置13の冷却ユニット50のファン54が回転することにより、筐体11の外部の外気を背面ケース17の吸気口62から吸気して通気路60内に送風し、通気路60内のリアクトル42を冷却する。リアクトル42との熱交換で暖められた空気は、通気路部材53の排気口61および背面ケース17の排気口63を通じて筐体11の外部に排気する。

冷却装置13の冷却ユニット51のファン67が回転することにより、筐体11の外部の外気を背面ケース17の吸気口81から吸気して通気路79内に送風し、通気路79内の放熱部品65を冷却する。放熱部品65には、複数のスイッチング素子41が発生する熱が伝達されている。放熱部品65との熱交換で暖められた空気は、通気路部材66の排気口80および背面ケース17の排気口82を通じて筐体11の外部に排気する。

第２の空間36内の温度が上昇すると、自然対流によって、背面ケース17の両側面部29，30の通気口31，32から第２の空間36内の暖まった空気が排気されるとともに、背面ケース17の下面部28の通気口33から外気が第２の空間36に流入し、第２の空間36が冷却される。

そして、第１の実施形態の電力変換装置10によれば、筐体11の内部に第１の空間35と第２の空間36とを区画形成し、第１の空間35に電力変換回路40を配置し、第２の空間36に発熱部品43であるリアクトル42や、発熱部品43であるスイッチング素子41に熱的に接続された放熱部品65を配置しているため、発熱部品43から電力変換回路40の他の部品への熱的影響を低減することができる。

さらに、第２の空間36には筐体11の外部との通気構造84を有するため、発熱部品43であるリアクトル42や発熱部品43であるスイッチング素子41に熱的に接続された放熱部品65を効果的に冷却でき、発熱部品43から電力変換回路40の他の部品への熱的影響をより確実に低減することができる。

また、リアクトル42については、通気路部材53に取り付けられ、主ケース15から離反されているため、リアクトル42が発生する熱が主ケース15に伝わり、主ケース15内つまり第１の空間35内の電力変換回路40の他の部品に熱的影響が生じるのを低減することができる。

また、基板44aと主ケース15の背面部20（基板取付部材45）との間には熱伝導性に優れた放熱シート46が介在されているため、複数のスイッチング素子41から基板44aに伝わる熱や基板44aに実装されている他の部品から基板44aに伝わる熱を主ケース15側に伝え、主ケース15を含む筐体11全体を放熱部材として利用し、冷却することができる。

なお、ファン54，67や通気路部材53，66などは用いず、発熱部品43であるリアクトル42や発熱部品43であるスイッチング素子41に熱的に接続された放熱部品65を第２の空間36に配置するだけで、発熱部品43から電力変換回路40の他の部品への熱的影響を低減することができる。

次に、図６ないし図９に第２の実施形態を示す。

図６ないし図９に蓄電池システム90を示す。この蓄電池システム90は、上述した電力変換装置（パワーコンディショナ）10の構成・機能および蓄電池装置の構成・機能を一体に備えるものである。なお、第１の実施形態で説明した電力変換装置10が備える構成と同じ構成については同じ符号を用いて、その構成・機能についての説明を省略する。

蓄電池システム90は、筐体91、この筐体91の下部領域に収納される複数の蓄電池モジュール92、筐体91の上部領域に収納される電力変換部12および冷却装置13を備える。

そして、筐体91は、前面部93、上面部94、底面部95、左右の側面部96，97、および背面部98を有し、底面部95の両端側に設置用の台座99が取り付けられている。右側の側面部97には、例えば系統電源および負荷が接続される分電盤などとの配線が挿通される配線挿通部100が設けられている。背面部98には、背面側から見て左側領域に吸気口101、中央領域に排気口102が配設されている。

筐体91内の上部領域には、前側に第１の空間35が形成されているとともに、後側に第２の空間36が形成されている。これら第１の空間35と第２の空間36とは区画部材103によって区画形成されている。

筐体91内の下部領域には、複数の蓄電池モジュール92を収納する収納部104が形成されている。

また、蓄電池モジュール92は、上下方向に長い直方体形状に形成された蓄電池本体105、およびこの蓄電池本体105の上部に設けられた端子台106などを備えている。蓄電池本体105には、例えばリチウムイオン電池などの充放電可能な二次電池が用いられている。そして、蓄電池モジュール92は、筐体91の下部領域に収納され、端子台106に接続される配線によって電力変換部12に電気的に接続されている。

また、電力変換部12および冷却装置13は、上述した電力変換装置10と同様の構成を有している。

すなわち、電力変換部12は、電力変換を行う電力変換回路40、この電力変換回路40に接続され電力変換に伴って発熱する発熱部品43であるスイッチング素子41およびリアクトル42などを備えている。電力変換回路40は第１の空間35に配置され、発熱部品43であるリアクトル42や発熱部品43であるスイッチング素子41に熱的に接続された放熱部品65は第２の空間36に配置される。

冷却装置13は、冷却ユニット50，51を備える。冷却ユニット50，51のファン54，67は、筐体91の吸気口101の上方領域に配置され、筐体91内に区画された連通路108を通じて筐体91の吸気口101に連通されている。なお、ファン54，67にはシロッコファンが用いられる。冷却ユニット50，51の通気路60，79の一端側はファン54，67の吐出側に接続され、通気路60，79の他端側は筐体91内に区画された連通路109を通じて筐体91の排気口102に連通されている。したがって、筐体91の吸気口101と排気口102との間に、リアクトル42が配置される冷却ユニット50の通気路60が形成されているとともに、放熱部品65が配置される冷却ユニット51の通気路79が形成されている。

そして、蓄電池システム90の動作時、発熱するスイッチング素子41やリアクトル42を冷却装置13によって冷却する。

図７に示すように、冷却装置13のファン54，67が回転することにより、筐体11の外部の外気を吸気口101および連通路108を通じて吸気して通気路60，79内に送風し、通気路60内のリアクトル42および通気路79内の放熱部品65を冷却する。リアクトル42および放熱部品65との熱交換で暖められた空気は、連通路109を通じて筐体11の排気口102から外部に排気する。

そして、第２の実施形態の蓄電池システム90によれば、筐体91の内部に第１の空間35と第２の空間36とを区画形成し、第１の空間35に電力変換回路40を配置し、第２の空間36に発熱部品43であるリアクトル42や、発熱部品43であるスイッチング素子41に熱的に接続された放熱部品65を配置しているため、発熱部品43から電力変換回路40の他の部品への熱的影響を低減することができる。

さらに、第２の空間36には筐体11の外部との通気構造84を有するため、発熱部品43であるリアクトル42や発熱部品43であるスイッチング素子41に熱的に接続された放熱部品65を効果的に冷却でき、発熱部品43から電力変換回路40の他の部品への熱的影響をより確実に低減することができる。

なお、ファン54，67などは用いず、発熱部品43であるリアクトル42や発熱部品43であるスイッチング素子41に熱的に接続された放熱部品65を第２の空間36に配置するだけで、発熱部品43から電力変換回路40の他の部品への熱的影響を低減することができる。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

10 電力変換装置
11 筐体
12 電力変換部
35 第１の空間
36 第２の空間
40 電力変換回路
43 発熱部品
65 放熱部品
84 通気構造
90 蓄電池システム
91 筐体
92 蓄電池モジュール
104 収納部

Claims (4)

1. 電力変換を行う電力変換回路、およびこの電力変換回路に接続され電力変換に伴って発熱する発熱部品を有する電力変換部と；
   内部に区画された第１の空間および第２の空間を有し、前記第１の空間に前記電力変換回路が配置され、前記第２の空間に前記発熱部品または前記発熱部品に熱的に接続される放熱部品が配置される筐体と；
   を具備することを特徴とする電力変換装置。
2. 前記第２の空間と前記筐体の外部とを通気する通気構造を具備する
   ことを特徴とする請求項１記載の電力変換装置。
3. 蓄電池モジュールと；
   電力変換を行う電力変換回路、およびこの電力変換回路に接続され電力変換に伴って発熱する発熱部品を有する電力変換部と；
   内部に前記蓄電池モジュールを収納する収納部を有するとともに区画された第１の空間および第２の空間を有し、前記第１の空間に前記電力変換回路が配置され、前記第２の空間に前記発熱部品または前記発熱部品に熱的に接続される放熱部品が配置される筐体と；
   を具備することを特徴とする蓄電池システム。
4. 前記第２の空間と前記筐体の外部とを通気する通気構造を具備する
   ことを特徴とする請求項３記載の蓄電池システム。

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