JP2020205703A - In-wheel power conversion device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、ホイール内蔵型電力変換装置に関する。 The present invention relates to a power converter with a built-in wheel.
ハイブリッド自動車や電気自動車の電気駆動システムは、車室空間拡大のためにホイール内への搭載が望まれる。そのため、電力変換装置内の平滑コンデンサを大幅に削減することで小型化を実現し、ホイール内に搭載する技術が求められている。 It is desirable that the electric drive system of a hybrid vehicle or an electric vehicle be installed in a wheel in order to expand the passenger compartment space. Therefore, there is a demand for a technology that realizes miniaturization by significantly reducing the smoothing capacitor in the power converter and mounts it in the wheel.
本願発明の背景技術として、下記の特許文献1が知られている。特許文献1には、パワーモジュールと対応するn個の平滑コンデンサが、ヒートシンク上にパワーモジュールと同一平面上で、かつ、各パワーモジュールの間、及び一端側に位置するパワーモジュールと隣接する個所にそれぞれ分散して配置されているインバータが記載されている。これにより、スイッチング時の電圧変動に関する回路ループを小さくし、インダクタンスを抑えることで、搭載する平滑コンデンサの容量を小さくし、小型化することが可能となる。
The following
特許文献1では、パワーモジュールと平滑コンデンサが隣接して配置されるため、パワーモジュールで発生した損失により、平滑コンデンサが加熱される恐れがある。これを避けるためには、平滑コンデンサとパワーモジュールの間隔を空けて配置する必要があり、小型化への制限が生じることが課題であった。
In
本発明によるホイール内蔵型電力変換装置は、シャフトの収納空間を形成するシャフト収納部と、3相交流電力の各相に対応して設けられ、正極端子及び負極端子をそれぞれ有する複数の半導体回路部と、前記半導体回路部と接続され、かつ前記シャフト収納部を有するバスバーと、前記バスバーと繋がる複数のコンデンサ端子を有する平滑コンデンサと、を備え、前記シャフトに沿った方向から前記バスバーを見た場合、前記複数の半導体回路部は、前記シャフト収納部に外接する四角形の2辺以上を囲むようにそれぞれ配置され、前記複数のコンデンサ端子は、前記シャフト収納部から最も遠い位置にそれぞれ配置された第1コンデンサ端子及び第2コンデンサ端子を含み、前記第1コンデンサ端子と前記第2コンデンサ端子を結んだ線分の直角方向から、前記バスバーの面方向に沿って前記複数の半導体回路部を見た場合、前記正極端子と前記負極端子の一方または双方が、前記線分とそれぞれ重なる位置に配置されている。 The power conversion device with a built-in wheel according to the present invention is provided with a shaft storage portion forming a storage space for the shaft and a plurality of semiconductor circuit units each having a positive electrode terminal and a negative electrode terminal, which are provided corresponding to each phase of three-phase AC power. When the bus bar is provided with a bus bar connected to the semiconductor circuit portion and having the shaft accommodating portion and a smoothing capacitor having a plurality of capacitor terminals connected to the bus bar, and the bus bar is viewed from a direction along the shaft. The plurality of semiconductor circuit units are arranged so as to surround two or more sides of a square circumscribing the shaft storage portion, and the plurality of capacitor terminals are arranged at positions farthest from the shaft storage portion. When the plurality of semiconductor circuit units are viewed along the surface direction of the bus bar from the direction perpendicular to the line connecting the first capacitor terminal and the second capacitor terminal, including the first capacitor terminal and the second capacitor terminal. , One or both of the positive electrode terminal and the negative electrode terminal are arranged at positions where they overlap with the line segment.
本発明によれば、ホイール内蔵型電力変換装置を小型化することができる。 According to the present invention, the power converter with a built-in wheel can be miniaturized.
(ホイール内蔵型電力変換装置の構造、および第1の実施形態)
図1は、本発明の実施形態に係るホイール内蔵型電力変換装置1(以下、単に電力変換装置1と称する)を示す概略図である。図1に示すように、電力変換装置1は、バスバー10、シャフト収納部20、複数の半導体回路部30、複数の平滑コンデンサ40、電源端子50を備えて構成される。
(Structure of power converter with built-in wheel, and first embodiment)
FIG. 1 is a schematic view showing a wheel-embedded power conversion device 1 (hereinafter, simply referred to as a power conversion device 1) according to an embodiment of the present invention. As shown in FIG. 1, the
バスバー10は、シャフト収納部20、半導体回路部30、電源端子50を有し、円形状の構造を有する。また、バスバー10は、バスバー10上に複数の平滑コンデンサ40を備える。
The
シャフト収納部20は、図示していないシャフトが貫通する。このシャフトは、電力変換装置1と同様に車両のホイールに内蔵されており、電力変換装置1からの電力供給を受けて回転駆動する、不図示のホイール内蔵電動機の回転軸である。
A shaft (not shown) penetrates the
半導体回路部30は、後述する回路モジュール60と電気的に接続するための半導体正極端子31と半導体負極端子32を有し、U相、V相、W相に対応して分かれて配置されている。各相の半導体回路部30のそれぞれが回路モジュール60と組み合わされ、電気的に接続される。なお、回路モジュール60は、電源端子50に接続されている図示していないバッテリからの直流電力を、バスバー10を介して受け、モータに出力する3相交流電力に変換する。
The
また、半導体回路部30は、図示していない冷媒流路によって囲まれている。冷媒流路は、水(クーラント)や油などの冷媒で満たされている。冷媒は、図示していないポンプによって循環されており、冷媒の温度が半導体回路部30よりも低くなるように、図示していないラジエターなどで冷却される。
Further, the
平滑コンデンサ40は、複数のコンデンサ基板43と、複数のコンデンサ基板43上にそれぞれ配置された複数のセラミックコンデンサ42と、複数のコンデンサ端子41と、により構成される。コンデンサ端子41は、それぞれがバスバー10に接続される基板正極端子413と基板負極端子414を、2対以上備えている。そうすることで、コンデンサ端子1個あたりのインダクタンスが低下する。また、この構成により、円形状のバスバー10において平滑コンデンサ40のレイアウトの自由度が向上する。
The
電源端子50は、正極電源端子51と負極電源端子52を有する。電源端子50は図示していないバッテリに接続されており、バッテリからは電動機の駆動に必要な電気エネルギーが供給される。
The
図2は、電力変換装置1の小型化の要点に係る電子部品の配置を示す概略図である。コンデンサ基板43は、シャフト収納部20に対して最も遠くに配置されるコンデンサ第1基板431と、コンデンサ第1基板431よりもシャフト収納部20に近い位置に配置される複数のコンデンサ第2基板432とを含む。コンデンサ第2基板432は、コンデンサ第1基板431よりも周方向に複数配置されており、これら複数のコンデンサ第2基板432を周方向に並べた大きさは、コンデンサ第1基板431よりも大きい。そうすることで、平滑コンデンサ40をバスバー10の円端側に詰めて配置することができ、電力変換装置1を小型化できる。なお、複数のコンデンサ第2基板432を1つの基板にまとめ、これをコンデンサ第1基板431よりも周方向において大きくなるように形成してもよい。このようにしても、上記と同様に電力変換装置1の小型化を図ることができる。
FIG. 2 is a schematic view showing the arrangement of electronic components related to the main points of miniaturization of the
ここで、平滑コンデンサ40の複数のコンデンサ端子41に含まれる基板正極端子413のうち、シャフト収納部20から最も遠い位置にそれぞれ配置された一対のコンデンサ端子41を、第1コンデンサ端子411および第2コンデンサ端子412と定義する。また、第1コンデンサ端子411と第2コンデンサ端子412を結んで、図示太線の線分415を定義する。この線分415からシャフト収納部20を直角方向に見た場合、各相の半導体回路部30の半導体正極端子31および半導体負極端子32の一方、または、双方が線分415と重なる。この線分の直角方向と重なる部分を端子配置領域16とする。また、半導体回路部30に対して、平滑コンデンサ40は離されて配置される。これにより、各相の半導体回路部30の半導体正極端子31および半導体負極端子32と、複数のコンデンサ端子41を有した複数のコンデンサ基板43との間において、電流経路が複数確保できる。
Here, among the substrate
図2に示した四角形21は、シャフト収納部20に外接する四角形の一例である。この四角形21は、線分415と平行な一対の辺を有する。四角形21の2辺以上を囲む形で、半導体回路部30が配置される。なお、シャフト収納部20に外接する四角形は、図2の四角形21以外にも定義できるが、いずれの四角形についても、その四角形の2辺以上を囲む形で半導体回路部30が配置されることは明らかである。
The
図3は、本発明の実施形態に係るバスバー10を示す概略図であり、複数の平滑コンデンサ40を除いた図である。上の図が正面図で、下の図が平面図である。バスバー10は、バスバー正極層11と、バスバー負極層12と、絶縁層13と、によって構成される。バスバー正極層11は、バスバーの最表面に位置し、銅材で構成される。バスバー負極層12はバスバー正極層11とは反対の最表面に位置し、銅材で構成される。絶縁層13は、バスバー正極層11とバスバー負極層12にはさまれる形で間に位置し、エポキシ樹脂や紙などの絶縁材で構成される。
FIG. 3 is a schematic view showing a
バスバー正極端子14は、バスバー正極層11に位置し、基板正極端子413が接続される。バスバー負極端子15は、バスバー負極層12に位置し、基板負極端子414が接続される。正極電源端子51は、バスバー正極層11に位置し、負極電源端子52は、バスバー負極層12に位置する。
The bus bar
バスバー10は、第1バスバー領域17と、第2バスバー領域18と、により構成される。第1バスバー領域17は、シャフト収納部20の中心から所定の第1半径で円形を作った中に形成される領域である。第2バスバー領域18は、第1半径より大きい所定の第2半径の中にあり、第1半径を除いた領域である。電力変換装置1の小型化を目指し、第1バスバー領域17のみでバスバー10を構成し、全部品を配置すると、複数の半導体回路部30と複数の平滑コンデンサ40が近距離になる。この場合、半導体回路部30と接続される回路モジュール60が有するパワーモジュールで発生した損失により、複数の平滑コンデンサ40が加熱される恐れがある。そのため、第2バスバー領域18を設け、複数の平滑コンデンサ40を円端側に詰めて配置することができるようにした。
The
図4は、本発明の実施形態に係る平滑コンデンサ40を示す概略図である。平滑コンデンサ40は、コンデンサ基板43と、コンデンサ基板43に配置された複数のセラミックコンデンサ42と、基板正極端子413と、基板負極端子414と、により構成される。また、コンデンサ基板43は、第1面433とその反対側の第2面434を有し、セラミックコンデンサ42は、第1面、第2面の両方に配置される。そうすることで、コンデンサ基板43における1枚あたりのセラミックコンデンサ42の実装数を増加でき、バスバー10上の平滑コンデンサ40の面積を減らすことができるので、電力変換装置1を小型化できる。
FIG. 4 is a schematic view showing a smoothing
図5は、本発明の実施形態に係る回路モジュール60を示す概略図である。回路モジュール60は、回路モジュール正極端子61と、回路モジュール負極端子62と、回路モジュール出力端子63と、によって構成される。回路モジュール正極端子61は、半導体回路部30の半導体正極端子31と、回路モジュール負極端子62は半導体負極端子32とに、それぞれ接続される。これにより、バッテリからの電動機の駆動に必要な電気エネルギーは回路モジュール60に供給される。
FIG. 5 is a schematic view showing a
図6は、本発明の実施形態に係るホイール内蔵型電力変換装置の回路図である。バスバー正極層11に位置しているバスバー正極端子14の側に半導体正極端子31があり、バスバー負極層12に位置しているバスバー負極端子15の側に半導体負極端子32がある。回路モジュール60は、上下アームに一対の半導体モジュール64を有し、U相、V相、W相に対応して分かれる。また、回路モジュール正極端子61は半導体回路部30の半導体正極端子31と、回路モジュール負極端子62は半導体負極端子32とに、それぞれ電気的に接続される。
FIG. 6 is a circuit diagram of a power converter with a built-in wheel according to an embodiment of the present invention. The semiconductor
正極電源端子51と負極電源端子52は、図示していないバッテリから電動機の駆動に必要なエネルギーを引き込む。電力変換装置1は、バッテリから引き込んだ電気エネルギーを、半導体回路部30の半導体正極端子31と半導体負極端子32、かつ、回路モジュール正極端子61と回路モジュール負極端子62を介して回路モジュール60に供給する。そして、回路モジュール60に備わる半導体モジュール64により、回路モジュール出力端子63から出力される交流電力を制御する。
The positive electrode
図7は、本発明の実施形態に係る電流経路例を示す概略図である。図7に示されている矢印は、電流経路例70である。バスバー10上において、各相の半導体回路部30と、複数のコンデンサ基板43と複数のコンデンサ基板43に配置された複数のコンデンサ端子41とで構成される平滑コンデンサ40と、がシャフト収納部20に対して周方向に分散して配置されることで、各相の半導体回路部30から出る電流経路を全体的に短縮化もしくは複数確保できる。
FIG. 7 is a schematic view showing an example of a current path according to an embodiment of the present invention. The arrow shown in FIG. 7 is a current path example 70. On the
以上説明した本発明の第1の実施形態によれば、以下の作用効果を奏する。 According to the first embodiment of the present invention described above, the following effects are exhibited.
(1)ホイール内蔵型電力変換装置1は、シャフトの収納空間を形成するシャフト収納部20と、3相交流電力の各相に対応して設けられ、半導体正極端子31及び半導体負極端子32をそれぞれ有する複数の半導体回路部30と、半導体回路部30と接続され、かつシャフト収納部20を有するバスバー10と、バスバー10と繋がる複数のコンデンサ端子41を有する平滑コンデンサ40と、を備える。シャフトに沿った方向からバスバー10を見た場合、複数の半導体回路部30は、シャフト収納部20に外接する四角形の2辺以上を囲むようにそれぞれ配置される。複数のコンデンサ端子41は、シャフト収納部20から最も遠い位置にそれぞれ配置された第1コンデンサ端子411及び第2コンデンサ端子412を含む。第1コンデンサ端子411と第2コンデンサ端子412を結んだ線分415の直角方向からバスバー10の面方向に沿って複数の半導体回路部30を見た場合、半導体正極端子31と半導体負極端子32の一方または双方が、線分415とそれぞれ重なる位置に配置されている。このようにしたので、ホイール内蔵型電力変換装置1は、小型化が実現できる。
(1) The
(2)平滑コンデンサ40は、複数のコンデンサ基板43と、複数のコンデンサ基板43に配置された複数のセラミックコンデンサ42と、により構成される。これにより、平滑コンデンサ40のレイアウトの自由度が向上するため、ホイール内蔵型電力変換装置1のさらなる小型化が実現できる。
(2) The smoothing
(3)複数のセラミックコンデンサ42は、コンデンサ基板43の第1面433と第1面433とは反対側の第2面434の両方に分けて配置される。これにより、バスバー10上の平滑コンデンサ40の面積を減らすことができるので、ホイール内蔵型電力変換装置1のさらなる小型化が実現できる。
(3) The plurality of
(4)複数のコンデンサ基板43は、シャフト収納部20に対して最も遠くに配置される第1基板431と、第1基板431よりもシャフト収納部20に近い位置に配置される複数の第2基板432と、を有し、複数の第2基板432を周方向に並べた大きさは、第1基板431よりも大きい。これにより、平滑コンデンサ40をバスバー10の円端側に詰めて配置することができるので、ホイール内蔵型電力変換装置1のさらなる小型化が実現できる。
(4) The plurality of
(5)複数のコンデンサ基板43のそれぞれは、バスバー10に接続される基板正極端子413と基板負極端子414を2対以上有する。これにより、端子1個あたりのインダクタンスを低下できるので、平滑コンデンサ40の発熱を抑制し、ホイール内蔵型電力変換装置1のさらなる小型化が実現できる。
(5) Each of the plurality of
(第2の実施形態)
図8は、本発明の第2の実施形態に係るホイール内蔵型電力変換装置を示す概略図である。電源端子50Aは、正極電源端子51Aと負極電源端子52Aを有し、平滑コンデンサ40を境にシャフト収納部20が配置された側とは反対側に配置される。図8において、電源端子50A、正極電源端子51A、負極電源端子52A以外は、前述した第1の実施形態と同じ様相である。
(Second Embodiment)
FIG. 8 is a schematic view showing a wheel-embedded power conversion device according to a second embodiment of the present invention. The
以上説明した本発明の第2の実施形態によれば、以下の作用効果を奏する。 According to the second embodiment of the present invention described above, the following effects are exhibited.
ホイール内蔵型電力変換装置上のバスバー10は、バッテリと接続されてバッテリからの直流電力を伝達する電源端子50Aを備え、電源端子50Aは、複数のコンデンサ端子41を境にシャフト収納部20とは反対側に配置される。これによって、電源端子50Aと平滑コンデンサ40における各コンデンサ端子41との電流経路が均一化され、インダクタンスが抑制される。
The
以上説明した各実施形態や各種変形例はあくまで一例であり、発明の特徴が損なわれない限り、本発明はこれらの内容に限定されるものではない。また、上記では種々の実施形態や変形例を説明したが、本発明はこれらの内容に限定されるものではない。本発明の技術的思想の範囲内で考えられるその他の態様も本発明の範囲内に含まれる。 The embodiments and various modifications described above are merely examples, and the present invention is not limited to these contents as long as the features of the invention are not impaired. Moreover, although various embodiments and modifications have been described above, the present invention is not limited to these contents. Other aspects conceivable within the scope of the technical idea of the present invention are also included within the scope of the present invention.
1 ホイール内蔵型電力変換装置
10 バスバー
11 バスバー正極層
12 バスバー負極層
13 絶縁層
14 バスバー正極端子
15 バスバー負極端子
16 端子配置領域
17 第1バスバー領域
18 第2バスバー領域
20 シャフト収納部
21 四角形
30 半導体回路部
31 半導体正極端子
32 半導体負極端子
40 平滑コンデンサ
41 コンデンサ端子
411 第1コンデンサ端子
412 第2コンデンサ端子
413 基板正極端子
414 基板負極端子
415 線分
42 セラミックコンデンサ
43 コンデンサ基板
431 コンデンサ第1基板
432 コンデンサ第2基板
433 第1面
434 第2面
50、50A 電源端子
51、51A 正極電源端子
52、52A 負極電源端子
60 回路モジュール
61 回路モジュール正極端子
62 回路モジュール負極端子
63 回路モジュール出力端子
64 半導体モジュール
70 電流経路例
1 Wheel built-in
Claims (7)
3相交流電力の各相に対応して設けられ、正極端子及び負極端子をそれぞれ有する複数の半導体回路部と、
前記半導体回路部と接続され、かつ前記シャフト収納部を有するバスバーと、
前記バスバーと繋がる複数のコンデンサ端子を有する平滑コンデンサと、を備え、
前記シャフトに沿った方向から前記バスバーを見た場合、前記複数の半導体回路部は、前記シャフト収納部に外接する四角形の2辺以上を囲むようにそれぞれ配置され、
前記複数のコンデンサ端子は、前記シャフト収納部から最も遠い位置にそれぞれ配置された第1コンデンサ端子及び第2コンデンサ端子を含み、
前記第1コンデンサ端子と前記第2コンデンサ端子を結んだ線分の直角方向から前記バスバーの面方向に沿って前記複数の半導体回路部を見た場合、前記正極端子と前記負極端子の一方または双方が、前記線分とそれぞれ重なる位置に配置されているホイール内蔵型電力変換装置。 The shaft storage part that forms the shaft storage space and
A plurality of semiconductor circuit units provided corresponding to each phase of three-phase AC power and having positive electrode terminals and negative electrode terminals, respectively.
A bus bar that is connected to the semiconductor circuit section and has the shaft housing section,
A smoothing capacitor having a plurality of capacitor terminals connected to the bus bar, and
When the bus bar is viewed from a direction along the shaft, the plurality of semiconductor circuit portions are arranged so as to surround two or more sides of a quadrangle circumscribing the shaft housing portion.
The plurality of capacitor terminals include a first capacitor terminal and a second capacitor terminal arranged at positions farthest from the shaft housing, respectively.
When the plurality of semiconductor circuit units are viewed along the surface direction of the bus bar from the direction perpendicular to the line segment connecting the first capacitor terminal and the second capacitor terminal, one or both of the positive electrode terminal and the negative electrode terminal. However, a power converter with a built-in wheel is arranged at a position where it overlaps with the line segment.
前記バスバーは、バッテリと接続されて前記バッテリからの直流電力を伝達する電源端子を備え、
前記電源端子は、前記複数のコンデンサ端子を境に前記シャフト収納部とは反対側に配置されるホイール内蔵型電力変換装置。 The power conversion device with a built-in wheel according to claim 1.
The busbar comprises a power supply terminal that is connected to the battery and transmits DC power from the battery.
The power supply terminal is a power conversion device with a built-in wheel that is arranged on the side opposite to the shaft housing portion with the plurality of capacitor terminals as boundaries.
前記平滑コンデンサは、複数の基板と、前記複数の基板に配置された複数のセラミックコンデンサと、により構成されるホイール内蔵型電力変換装置。 The power conversion device with a built-in wheel according to claim 1 or 2.
The smoothing capacitor is a power conversion device with a built-in wheel, which is composed of a plurality of substrates and a plurality of ceramic capacitors arranged on the plurality of substrates.
前記複数のセラミックコンデンサは、前記基板の第1面と当該第1面とは反対側の第2面の両方に分けて配置されるホイール内蔵型電力変換装置。 The power conversion device with a built-in wheel according to claim 3.
The plurality of ceramic capacitors are wheel-embedded power conversion devices that are separately arranged on both the first surface of the substrate and the second surface on the side opposite to the first surface.
前記複数の基板は、前記シャフト収納部に対して最も遠くに配置される第1基板と、当該第1基板よりも当該シャフト収納部に近い位置に配置される第2基板と、を有し、
前記第2基板は、前記第1基板よりも周方向において大きく形成されるホイール内蔵型電力変換装置。 The power conversion device with a built-in wheel according to claim 3.
The plurality of substrates include a first substrate arranged farthest from the shaft accommodating portion and a second substrate arranged at a position closer to the shaft accommodating portion than the first substrate.
The second substrate is a power conversion device with a built-in wheel, which is formed larger in the circumferential direction than the first substrate.
前記複数の基板は、前記シャフト収納部に対して最も遠くに配置される第1基板と、当該第1基板よりも当該シャフト収納部に近い位置にそれぞれ配置される複数の第2基板と、を有し、
前記複数の第2基板を周方向に並べた大きさは、前記第1基板よりも大きいホイール内蔵型電力変換装置。 The power conversion device with a built-in wheel according to claim 3.
The plurality of substrates include a first substrate arranged farthest from the shaft accommodating portion, and a plurality of second substrates arranged closer to the shaft accommodating portion than the first substrate. Have and
The size of the plurality of second substrates arranged in the circumferential direction is larger than that of the first substrate.
前記複数の基板のそれぞれは、前記バスバーに接続される基板正極端子と基板負極端子を2対以上有するホイール内蔵型電力変換装置。
The power conversion device with a built-in wheel according to claim 3.
Each of the plurality of substrates is a wheel built-in power conversion device having two or more pairs of substrate positive electrode terminals and substrate negative electrode terminals connected to the bus bar.
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