JP2021145486A - 電力変換器 - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池ユニットに搭載される電力変換器において、リアクトルからの熱と漏れ磁束の電流センサへの影響を低減する。【解決手段】電流センサ１３は、リアクトル１２とパワーモジュール１４とを接続するバスバ２０上に設けられる。リアクトル１２と電流センサ１３とは、磁気シールド効果を有する金属を用いて形成された仕切り３１によって隔てられている。リアクトル１２の出力端子１２ａは、電力変換器１０の搭載面５０から見てリアクトル１２の中央を通る平面５１よりも遠い第１側の面と、同平面よりも近い第２側の面とのうち何れか一方の面に設けられている。バスバ２０は、第１側と第２側のうちリアクトル１２の出力端子１２ａが設けられていない側において、リアクトル１２が配置されている空間から電流センサ１３が配置されている空間へ仕切り３１を通過して延びている。【選択図】図９

Description

本発明は、燃料電池ユニットに搭載される電力変換器に関する。

例えば特許文献１に開示されているように、燃料電池ユニットに搭載された電力変換器が知られている。電気自動車に搭載される燃料電池ユニットは、車両上の搭載スペースの空間的な制約により、一層の小型化が求められている。この要求は、燃料電池ユニットを構成する電力変換器にも当てはまる。

電力変換器は、リアクトルを含む。コイルの導通損失による発熱にコアの損失による発熱が加わるため、リアクトルは、電力変換器に搭載される構成品の中では、特に高温になりやすい。電力変換器を小型化するほど、構成部品への影響、特に他の構成部品に比較して耐熱温度が低く、且つ、リアクトルに近接して配置される電流センサへの影響が大きくなる。また、リアクトルから漏れ出る磁束は、電流センサによる電流値の計測精度を低下させる。電力変換器の小型化によってリアクトルと電流センサとの距離が縮まるほど、リアクトルからの漏れ磁束の電流センサへの影響も大きくなる。

特開２０１２−１０５３６９号公報

本発明は、上記の課題に鑑みてなされたものであり、燃料電池ユニットに搭載される電力変換器において、リアクトルからの熱と漏れ磁束の電流センサへの影響を低減することを目的とする。

本発明に係る電力変換器は、リアクトルとパワーモジュールとを備える。リアクトルとパワーモジュールとは、電力変換器が燃料電池ユニットに搭載される搭載面に沿って並べて配置されている。本発明に係る電力変換器は、リアクトルの出力端子とパワーモジュールの入力端子とを接続するバスバと、バスバ上に設けられた電流センサとを備える。さらに、本発明に係る電力変換器は、リアクトルと電流センサとを隔てる仕切りを備える。この仕切りは、磁気シールド効果を有する金属を用いて形成され、リアクトルの輻射熱の電流センサへの影響を低減すると同時に、漏れ磁束の電流センサへの影響も低減する。

本発明に係る電力変換器においては、リアクトルの出力端子は、搭載面から見てリアクトルの中央を通る搭載面に平行な平面よりも遠い側である第１側の面と、搭載面から見て前記平面よりも近い側である第２側の面とのうち何れか一方の面に設けられている。また、リアクトルとパワーモジュールとを接続するバスバは、第１側と第２側とのうちリアクトルの出力端子が設けられている側とは反対の側において、リアクトルが配置されている空間から電流センサが配置されている空間へ仕切りを通過して延びている。リアクトルの出力端子の位置とバスバが仕切りを通過する位置との間にこのような位置関係が設けられることで、リアクトルから電流センサまでの間に長いバスバ長さが確保され、バスバを介したリアクトルから電流センサへの伝熱は低減される。

本発明に係る電力変換器においては、仕切りは、搭載面に対して立てられた壁部と、リアクトルと搭載面との間に位置して壁部につながる底部とを含んでもよい。仕切りを構成する壁部は、パワーモジュール及び電流センサが配置されている空間の天井につながっていてもよい。このように仕切りを設けることで、リアクトルは電流センサが設けられている空間から隔離され、空気を介したリアクトルから電流センサへの伝熱も低減される。

本発明に係る電力変換器においては、リアクトルの出力端子は、リアクトルの第１側の面に設けられ、パワーモジュールの入力端子は、パワーモジュールの搭載面に対向する面に設けられてもよい。そして、バスバは、仕切りを構成する壁部の第２側の端部を通過してパワーモジュールの入力端子に接続されてもよい。このような位置関係によれば、リアクトルから電流センサまでの間のバスバ長さを確保しつつ、リアクトルからパワーモジュールまでバスバを整然と取り回しすることができる。また、このような位置関係によれば、電流センサとパワーモジュールの入力端子までのバスバ長さが短くなるので、パワーモジュールを冷却する冷却水によって電流センサが設置されている部位の熱を取ることができる。リアクトルの第２側の面には、リアクトルを冷却する水冷式の冷却器が取り付けられてもよい。

本発明に係る電力変換器においては、バスバは、少なくとも仕切りからパワーモジュールの入力端子までの部分を真っすぐに形成されてもよい。バスバの周囲には電流の大きさに応じた磁束が発生する。仕切りからパワーモジュールの入力端子までの部分を真っすぐに形成されているならば、磁束の向きは一方向であり、電流センサが設けられている部位に様々な方向の磁束が作用することは低減される。すなわち、電流センサによる電流値の計測精度の低下は低減される。バスバは、リアクトルの出力端子から仕切りまでの部分において折り曲げられてもよい。リアクトルの出力端子とパワーモジュールの入力端子とを接続するためには、バスバは１又は複数回折り曲げられる必要がある。仕切りを挟んで電流センサとは反対の側においてバスバの折り曲げを行うことで、電流センサが設けられている部位に、他の部位で発生した向きの異なる磁束が作用することは低減される。

本発明に係る電力変換器においては、リアクトルは、搭載面に沿って一列に複数設けられてもよい。この場合、バスバはリアクトル毎に設けられ、一列に設けられた複数のリアクトルは対応するバスバによって１つのパワーモジュールに並列に接続される。電流センサは、バスバ毎に設けられる。リアクトルと電流センサとを隔てる仕切りは、リアクトルの列に沿って設けられてもよい。１つの電流センサに着目したとき、この仕切りは、対応するリアクトルからの熱と漏れ磁束だけでなく、他のリアクトルからの熱と漏れ磁束の影響を低減する。

以上述べたように、本発明に係る電力変換器によれば、リアクトルと電流センサとを隔てる金属製の仕切りによって、リアクトルの輻射熱の電流センサへの影響が低減されると同時に、漏れ磁束の電流センサへの影響も低減される。さらに、リアクトルから電流センサまでの間に長いバスバ長さが確保され、バスバを介したリアクトルから電流センサへの伝熱は低減される。

燃料電池車のパワートレーン系の概略図である。 燃料電池ユニットの構造を示す概略図である。 第１実施形態に係る電力変換器の構成部品間の位置関係及び電気的な接続関係を示す、リアクトル冷却器を取り外した状態での下面視図である。 電力変換器の構成部品の耐熱温度を説明する図である。 リアクトルから電流センサまでのバスバの長さと温度との関係を示す図である。 電流センサの計測精度に影響する磁束について説明する図である。 電流センサの計測精度に影響する磁束について説明する図である。 第１実施形態に係る電力変換器の構成部品と仕切りとの位置関係を示す、リアクトル冷却器を取り外した状態での下面視図である。 第１実施形態に係る電力変換器の構造を詳細に示す図８のＡ−Ａ断面矢視図である。 第１実施形態に係る電力変換器の構造を詳細に示す下面視図である。 第１実施形態に係る電力変換器の構造を詳細に示すアッパーカバーを取り付けた状態での上面視図である。 第１実施形態に係る電力変換器の構造を詳細に示すアッパーカバーを取り外した状態での上面視図である。 第２実施形態に係る電力変換器の構造を詳細に示す図８のＡ−Ａ断面矢視図に相当する図である。 燃料電池スタックと電力変換器の位置関係の変形例を示す図である。 燃料電池車のパワートレーン系の別例の概略図である。 燃料電池車のパワートレーン系の別例の概略図である。

以下、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。ただし、以下に示す各実施形態において各要素の個数、数量、量、範囲等の数に言及した場合、特に明示した場合や原理的に明らかにその数に特定される場合を除いて、その言及した数に本発明が限定されるものではない。また、以下に示す実施形態において説明する構造等は、特に明示した場合や明らかに原理的にそれに特定される場合を除いて、本発明に必ずしも必須のものではない。

図１は、燃料電池車のパワートレーン系の概略図である。燃料電池車は、燃料電池スタック９で発電された電気により電動機２を動かし、電動機２が発生させる駆動力によって走行する車両である。電動機２は、発電機として動作可能なモータジェネレータである。燃料電池スタック９と電動機２には、バッテリ６が接続されている。バッテリ６は、燃料電池スタック９で十分な電気を発電できない場合に電動機２に電気を供給し、回生運転時には電動機２で発電された電気を蓄える。電動機２は交流電動機であるので、燃料電池スタック９とバッテリ６は、直流電流を交流電流に変換するインバータ４を介して電動機２に接続されている。

燃料電池スタック９には、燃料電池スタック９が発電した電気を昇圧する電力変換器１０が取り付けられている。電力変換器１０は、具体的には、昇圧コンバータである。燃料電池車に搭載される燃料電池スタック９では、コストの低減と小型化が課題となっている。この課題はセルの枚数を削減することで解決することができる。しかし、セルの枚数を減らすと、燃料電池スタック９全体の合計電圧は低下する。このため、出力電圧を必要電圧まで上昇させるために、燃料電池スタック９の出力部には電力変換器１０が必要となる。車両の限られたスペースへの効率的な配置を可能にするため、燃料電池スタック９と電力変換器１０とは１つの燃料電池ユニット８として提供される。

以下、本明細書では、燃料電池ユニットはＦＣユニットと表記され、燃料電池スタックはＦＣスタックと表記される。また、昇圧コンバータである電力変換器は、燃料電池用のＤＣ−ＤＣコンバータであるので、以下ではＦＤＣと表記される。ＦＣユニット８の構造の概要は図２に示される。ＦＣユニット８は、ＦＣスタック９とＦＤＣ１０とを一体化して構成される。ＦＤＣ１０は、ＦＣスタック９の上方にＦＣスタック９に重ねるように搭載されている。以下、ＦＤＣ１０のＦＣスタック９に取り付けられている面を、ＦＤＣ１０がＦＣユニット８に搭載される搭載面と言う。

図３は、第１実施形態に係るＦＤＣ１０の構成部品間の位置関係及び電気的な接続関係を示す、リアクトル冷却器を取り外した状態での下面視図である。ＦＤＣ１０のケース３０の中には、Ｐターミナル１１、リアクトル１２Ａ，１２Ｂ，１２Ｃ，１２Ｄ、電流センサ１３Ａ，１３Ｂ，１３Ｃ，１３Ｄ、ＩＰＭ（Intelligent Power Module）１４、コンデンサ１５、分岐ボックス１６、及び、Ｎターミナル１７が配置されている。このうち、Ｐターミナル１１とＮターミナル１７は、ＦＣスタック９と接続するための端子である。Ｐターミナル１１は、車両の幅方向の一方の側の端部に配置され、ＦＣスタック９から延びる図示しないＰバスバに接続されている。Ｎターミナル１７は、車両の幅方向の他方の側の端部に配置され、ＦＣスタック９から延びる図示しないＮバスバに接続されている。

ＦＤＣ１０は、多相昇圧コンバータであって、相１から相４までの４つのリアクトル１２Ａ〜１２Ｄを備える。リアクトル１２Ａ〜１２Ｄは、Ｐターミナル１１の近傍に、車両の前後方向に向けて一列に且つ均等に並べられている。各リアクトル１２Ａ〜１２Ｄは、バスバを用いてＰターミナル１１に並列接続されている。発熱体であるリアクトル１２Ａ〜１２Ｄは、図示しない水冷式のリアクトル冷却器によって冷却されている。

各リアクトル１２Ａ〜１２Ｄは、ＩＰＭ１４にバスバ２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃ，２０Ｄによって並列接続されている。ＩＰＭ１４は、冷却器を間に挟んで複数枚積層されたパワーカードを備えるパワーモジュールである。パワーカードは、インバータを構成するＩＧＢＴ及びダイオードが１つのパッケージにされて構成されている。ＩＰＭ１４の冷却器には、図示しないラジエータで冷却された冷却水循環系の冷却水が供給される。前述のリアクトル冷却器には、ＩＰＭ１４の冷却器を通過した冷却水が供給される。各リアクトル１２Ａ〜１２ＤとＩＰＭ１４とを接続するそれぞれのバスバ２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃ，２０Ｄには、電流センサ１３Ａ，１３Ｂ，１３Ｃ，１３Ｄが取り付けられている。電流センサ１３Ａ〜１３Ｄは、バスバが貫通する磁気コアと磁気コアのギャップに挿入されたホール素子とを備えるホール素子方式電流センサである。

ＩＰＭ１４は、リアクトル１２Ａ〜１２Ｄが配列されている方向に対して直交する方向に、電流センサ１３Ａ〜１３Ｄと並んで配置されている。ＩＰＭ１４の出力側には、バスバを用いて平滑用のコンデンサ１５が接続されている。コンデンサ１５には、バスバを用いて分岐ボックス１６が接続されている。分岐ボックス１６には、バスバを用いてＮターミナル１７が接続されている。ＩＰＭ１４、コンデンサ１５、及び分岐ボックス１６は、Ｎターミナル１７の近傍に、車両の前後方向に向けて一列に並べられている。分岐ボックス１６には、ケース３０の外側に設けられたバッテリ用の出力端子２５、ＰＣＵ用の出力端子２６、エア・コンプレッサのインバータ用の出力端子２７、及びエアコンコンプレサ用の出力端子２８が接続されている。

次に、ＦＤＣ１０に関係する課題について説明する。

ＦＤＣ１０の構成部品の耐熱上限温度の一例を図４に示す。耐熱上限温度は構成部品によって異なる。最も耐熱上限温度が高い構成部品は、発熱体であるリアクトル１２Ａ〜１２Ｄである。リアクトル１２Ａ〜１２Ｄは、耐熱上限温度を超えないように冷却水によって冷却されている。一方、電流センサ１３Ａ〜１３Ｄとコンデンサ１５の耐熱上限温度は１１０〜１２０℃程度で他の構成部品と比較して特に低い。図４に示す例では、コンデンサ１５の方が電流センサ１３Ａ〜１３Ｄよりも耐熱温度が低いが、製品によっては電流センサ１３Ａ〜１３Ｄの方がコンデンサ１５よりも耐熱温度が低い場合もある。リアクトル１２Ａ〜１２ＤやＩＰＭ１４は冷却水による水冷が可能であるのに対し、電流センサ１３Ａ〜１３Ｄとコンデンサ１５については水冷することは困難である。

電流センサ１３Ａ〜１３Ｄとコンデンサ１５は、熱から保護する必要がある構成部品である。特に、電流センサ１３Ａ〜１３Ｄは、ＦＤＣ１０を小型化する必要から、発熱体であるリアクトル１２Ａ〜１２Ｄの近傍に配置される。このため、何も対策を施さないならば、電流センサ１３Ａ〜１３Ｄは、リアクトル１２Ａ〜１２Ｄからの輻射熱に晒されることになる。リアクトル１２Ａ〜１２Ｄからの輻射熱に晒される環境下では、電流センサ１３Ａ〜１３Ｄの温度は容易に耐熱上限温度を超えてしまう。そこで、後述するように、ＦＤＣ１０には、リアクトル１２Ａ〜１２Ｄからの輻射熱の電流センサ１３Ａ〜１３Ｄへの影響を低減するための構造が設けられている。

電流センサ１３Ａ〜１３Ｄは、リアクトル１２Ａ〜１２Ｄよりもサイズが小さい。このため、電流センサ１３Ａ〜１３Ｄを一か所にまとめて設置する場合、リアクトル１２Ａ〜１２Ｄと電流センサ１３Ａ〜１３Ｄとを接続するバスバ２０Ａ〜２０Ｄの長さには、相ごとに差が生じる。図３に示す例では、相１のバスバ２０Ａの長さが最も短く、相２のバスバ２０Ｂ、相３のバスバ２０Ｃは、相４のバスバ２０Ｄの順で長くなっている。電流センサ１３Ａ〜１３Ｄには、バスバ２０Ａ〜２０Ｄを介してリアクトル１２Ａ〜１２Ｄから熱が伝導される。バスバを介した伝熱量は、バスバの長さが短いほど大きい。

図５は、輻射熱による温度上昇が無いとした場合の、リアクトルから電流センサまでのバスバの長さと温度との関係を示す図である。図５に示すように、電流センサの温度を耐熱上限温度以下に保つためには、所定長さ以上のバスバ長さを確保する必要がある。リアクトルと電流センサとがほぼ同じ平面上に配置される構造の場合、必要なバスバ長さを確保するためには、電流センサをリアクトルと離して配置する必要がある。ところが、ＦＤＣを小型化するためには、図３に示す電流センサ１３Ａ〜１３Ｄとリアクトル１２Ａ〜１２Ｄとの位置関係のように、両者は近接して配置される必要がある。そこで、後述するように、ＦＤＣ１０には、バスバ２０Ａ〜２０Ｄを介したリアクトル１２Ａ〜１２Ｄから電流センサ１３Ａ〜１３Ｄへの伝熱を低減するための構造が設けられている。

以上説明したリアクトル１２Ａ〜１２Ｄからの熱が電流センサ１３Ａ〜１３Ｄに与える影響についての課題に加えて、ＦＤＣ１０には、外部からの磁束が電流センサ１３Ａ〜１３Ｄに与える影響についての課題もある。図６及び図７は、電流センサ１３Ａ〜１３Ｄの計測精度に影響する磁束について説明する図である。ここでは、説明に必要な一部のリアクトル１２Ａ，１２Ｂと一部の電流センサ１３Ａ，１３Ｂ及び一部のバスバ２０Ａ，２０Ｂのみが描かれている。

リアクトルは、スイッチング素子を繰り返しオン／オフし、磁気エネルギーの蓄積／放出を繰り返すことによって昇圧の働きをする。このため、リアクトルの稼働に伴い、その周辺には磁束が漏れ出る。図６に示す例では、リアクトル１２Ａの稼働時には、リアクトル１２Ａの周囲に漏れ磁束１０１が発生する。漏れ磁束１０１が例えば電流センサ１３Ａに作用したとき、電流センサ１３Ａの計測精度は低下する。そこで、後述するように、ＦＤＣ１０には、リアクトル１２Ａ〜１２Ｄからの漏れ磁束の電流センサ１３Ａ〜１３Ｄへの影響を低減するための構造が設けられている。

バスバに電流が流れているときは、バスバの周囲にも電流の大きさに応じた磁束が発生している。図６に示すようなリアクトル１２Ａから真っ直ぐに延びているバスバ２０Ａであるならば、その周囲に発生する磁束の向きは一方向である。このため、電流センサ１３Ａが設けられている部位に異なる方向の磁束が作用するおそれは小さい。しかし、図７に示すバスバ２０Ｂのように、リアクトル１２Ｂから電流センサ１３Ｂに至る経路で折り曲げられている場合、その周囲に発生する磁束の向きは一方向とはならない。この場合、電流センサ１３Ｂが設けられている部位に、他の部位で発生した向きの異なる磁束１０２が作用する場合がある。電流センサ１３Ｂは、磁束１０２に晒されることで電流を誤計測するおそれがある。そこで、後述するように、ＦＤＣ１０には、電流センサ１３Ａ〜１３Ｄが設けられている部位に、他の部位で発生した向きの異なる磁束が作用することを低減するための構造が設けられている。

以下、第１実施形態に係るＦＤＣ１０の詳細な構造について説明する。上述のように、ＦＤＣ１０には、リアクトル１２Ａ〜１２Ｄからの輻射熱の電流センサ１３Ａ〜１３Ｄへの影響を低減するための構造が設けられている。その構造が、図８に示す仕切り３１である。図８は、ＦＤＣ１０の構成部品と仕切り３１との位置関係を示す、リアクトル冷却器を取り外した状態での下面視図である。仕切り３１は、リアクトル１２Ａ〜１２Ｄの列に沿って、リアクトル１２Ａ〜１２Ｄと電流センサ１３Ａ〜１３Ｄとを隔てるように設けられて、車両の前後方向の両端部をケース３０に接続されている。つまり、仕切り３１は、ケース３０の内部をリアクトル１２Ａ〜１２Ｄの側の空間と電流センサ１３Ａ〜１３Ｄの側の空間とに分断している。このような仕切り３１が設けられることで、リアクトル１２Ａ〜１２Ｄから発せられる輻射熱は仕切り３１にて遮られる。

仕切り３１は磁気シールド効果を有する金属、例えば、鉄を用いて形成されている。磁気シールド効果を有する金属に他の材料、例えば、断熱効果を有する断熱材を組み合わせて仕切り３１が形成されていてもよい。ＦＤＣ１０のケース３０が磁気シールド効果を有する金属を用いて形成されているのであれば、ケース３０と同じ材料で仕切り３１を形成してもよい。この仕切り３１は、リアクトル１２Ａ〜１２Ｄの輻射熱の電流センサ１３Ａ〜１３Ｄへの影響を低減すると同時に、リアクトル１２Ａ〜１２Ｄからの漏れ磁束の電流センサ１３Ａ〜１３Ｄへの影響も低減する。

図９は、第１実施形態に係るＦＤＣ１０の構造を詳細に示す図８のＡ−Ａ断面矢視図である。図９では、リアクトル１２Ａ〜１２Ｄは代表的にリアクトル１２と表示され、電流センサ１３Ａ〜１３Ｄは代表的に電流センサ１３と表示され、バスバ２０Ａ〜２０Ｄは代表的にバスバ２０と表示されている。図１０は、第１実施形態に係るＦＤＣ１０の構造を詳細に示す下面視図である。

図９に示すように、ＦＤＣ１０の内部は、仕切り３１によって２つの空間に仕切られている。仕切り３１は、ＦＤＣ１０の搭載面５０に対して立てられた壁部３１ａと、リアクトル１２と搭載面５０との間に位置して壁部３１ａにつながる底部３１ｂとを含む。図１０に示すように、底部３１ｂは、三方の縁をケース３０の側壁に接続され、一方の縁を壁部３１ａに接続されている。リアクトル１２は、ＦＤＣ１０のケース３０の側壁と、仕切り３１とで囲まれた空間に収容されている。このように仕切り３１を設けることで、リアクトル１２は電流センサ１３が設けられている空間から隔離され、空気を介したリアクトル１２から電流センサ１３への伝熱も低減される。

リアクトル１２と仕切り３１の底部３１ｂとの間には、リアクトル１２を冷却するリアクトル冷却器１８が設けられている。すなわち、リアクトル１２は下側の面をリアクトル冷却器１８で冷却されている。搭載面５０から見てリアクトル１２の中央を通る搭載面５０に平行な平面５１よりも遠い側を第１側とし、搭載面５０から見て平面５１よりも近い側を第２側とすると、リアクトル１２の下側の面は第２側の面ということになり、リアクトル１２の上側の面は第１側の面ということになる。第１実施形態では、リアクトル１２の出力端子１２ａは、第１側の面であるリアクトル１２の上側の面に設けられている。

仕切り３１には、バスバ２０を通すための穴３２が設けられている。穴３２が設けられている位置は、底部３１ｂの壁部３１ａの近傍である。この位置は、平面５１に対してリアクトル１２の出力端子１２ａが設けられている側（第１側）とは反対の側（第２側）にあたる。リアクトル１２の出力端子１２ａの位置とバスバ２０が仕切り３１を通過する穴３２との間にこのような位置関係が設けられることで、リアクトル１２から電流センサ１３までの間に長いバスバ長さが確保される。バスバ２０を介した伝熱量は、バスバ２０の長さが長いほど小さいことから、バスバ２０を介したリアクトル１２から電流センサ１３への伝熱による電流センサ１３の温度上昇は低減される。

バスバ２０が接続されるＩＰＭ１４の入力端子１４ａは、ＩＰＭ１４の搭載面５０に対向する面、つまり、下側の面に設けられている。リアクトル１２の出力端子１２ａとＩＰＭ１４の入力端子１４ａとをバスバ２０で接続するためには、バスバ２０は複数回折り曲げられる必要がある。図８及び図９を併せて見ることで明らかなように、仕切り３１を挟んで電流センサ１３とは反対の側、つまり、リアクトル１２の出力端子１２ａから仕切り３１の穴３２までの部分でバスバ２０は折り曲げられ、仕切り３１の穴３２からＩＰＭ１４の入力端子１４ａまでの部分を真っすぐに形成されている。

このような位置関係でリアクトル１２とＩＰＭ１４とが配置されることで、リアクトル１２から電流センサ１３までの間のバスバ長さを確保しつつ、リアクトル１２からＩＰＭ１４までバスバを整然と取り回しすることができる。また、このような位置関係によれば、電流センサ１３とＩＰＭ１４の入力端子１４ａまでのバスバ長さが短くなるので、ＩＰＭ１４を冷却する冷却水によって電流センサ１３が設置されている部位の熱を取ることができる。

バスバ２０の周囲には電流の大きさに応じた磁束が発生する。仕切り３１は磁気シールド効果を有する金属で形成されているので、仕切り３１の内側でバスバ２０から発生した磁束が電流センサ１３に作用することは低減される。また、バスバ２０は、仕切り３１からＩＰＭ１４の入力端子１４ａまでの部分を真っすぐに形成されているので、発生する磁束の向きは一方向であり、電流センサ１３が設けられている部位に様々な方向の磁束が作用することは低減される。すなわち、第１実施形態に係るＦＤＣ１０の構造によれば、電流センサ１３による電流値の計測精度の低下は低減される。

仕切り３１の壁部３１ａは、電流センサ１３及びＩＰＭ１４が配置されている空間の天井３３につながっている。天井３３はケース３０の一部であり、仕切り３１と同じ材料で形成されていてもよい。天井３３の上にはＥＣＵ（Electronic Control Unit）が一体化されたＩＰＭ基板１９が載置されている。ＩＰＭ基板１９は、天井３３を挟んでＩＰＭ１４に接続されている。ケース３０の上部には、リアクトル１２の上方からＩＰＭ基板１９の上方までを覆うアッパーカバー４０が取り付けられている。図１１は、第１実施形態に係るＦＤＣ１０の構造を詳細に示すアッパーカバー４０を取り付けた状態での上面視図である。図１２は、第１実施形態に係るＦＤＣ１０の構造を詳細に示すアッパーカバー４０を取り外した状態での上面視図である。

次に、第２実施形態に係るＦＤＣについて説明する。図１３は、第２実施形態に係るＦＤＣ７０の構造を詳細に示す図である。図１３では、第２実施形態に係るＦＤＣ７０の構成部品のうち、第１実施形態に係るＦＤＣ１０の構成部品に相当する構成部品には、第１実施形態で付されている符号と同じ符号が付されている。なお、図８は、第２実施形態に係るＦＤＣ７０の下面視図に相当し、図１３は、図８のＡ−Ａ断面矢視図に相当する。

図１３に示すように、ＦＤＣ７０のケース３０は、高天井３３ａと低天井３３ｂからなる天井を有している。高天井３３ａと低天井３３ｂとの境からは、搭載面５０に対して垂直に仕切り３１が垂れ下がっている。ＦＤＣ７０の内部は、仕切り３１によって２つの空間に仕切られている。リアクトル１２は、ＦＤＣのケース３０の側壁と、仕切り３１と、高天井３３ａとで囲まれた空間に収容されている。電流センサ１３及びＩＰＭ１４は、ＦＤＣのケース３０の側壁と、仕切り３１と、低天井３３ｂとで囲まれた空間に収容されている。このように仕切り３１を設けることで、リアクトル１２から発せられる輻射熱は仕切り３１にて遮られる。また、リアクトル１２は電流センサ１３が設けられている空間から隔離されるので、空気を介したリアクトル１２から電流センサ１３への伝熱も低減される。

リアクトル１２と高天井３３ａとの間には、リアクトル１２を冷却するリアクトル冷却器１８が設けられている。すなわち、第２実施形態では、リアクトル１２は、第１側の面である上側の面をリアクトル冷却器１８で冷却されている。第２実施形態では、リアクトル１２の出力端子１２ａは、第２側の面であるリアクトル１２の下側の面に設けられている。

仕切り３１には、バスバ２０を通すための穴３２が設けられている。穴３２が設けられている位置は、天井３３ａ，３３ｂの近傍である。この位置は、平面５１に対してリアクトル１２の出力端子１２ａが設けられている側（第２側）とは反対の側（第１側）にあたる。リアクトル１２の出力端子１２ａの位置とバスバ２０が仕切り３１を通過する穴３２との間にこのような位置関係が設けられることで、リアクトル１２から電流センサ１３までの間に長いバスバ長さが確保される。バスバ２０を介した伝熱量は、バスバ２０の長さが長いほど小さいことから、バスバ２０を介したリアクトル１２から電流センサ１３への伝熱による電流センサ１３の温度上昇は低減される。

バスバ２０が接続されるＩＰＭ１４の入力端子１４ａは、ＩＰＭ１４の搭載面５０に対向する面、つまり、下側の面に設けられている。このため、第２実施形態では、仕切り３１の穴３２から出たバスバ２０は、電流センサ１３が配置されている空間において、複数回折り曲げられてＩＰＭ１４の入力端子１４ａに接続されている。バスバ２０が折り曲げられていることにより、電流センサ１３が配置されている空間でバスバ２０の周りに発生する磁束の向きは一方向にはならない。よって、電流センサ１３が設けられている部位に様々な方向の磁束が作用することを低減するという観点では、第１実施形態に係るＦＤＣ１０の構成のほうがより好ましい。

第２実施形態では、低天井３３ｂの上にＥＣＵが一体化されたＩＰＭ基板１９が載置されている。ＩＰＭ基板１９は、低天井３３ｂを挟んでＩＰＭ１４に接続されている。低天井３３ｂの上には、ＩＰＭ基板１９の上方を覆うアッパーカバー４０が取り付けられている。

図１４は、ＦＣスタックとＦＤＣの位置関係の変形例を示す図である。この変形例のＦＣユニット１０８では、ＦＣスタック１０９の横側にＦＤＣ１１０が取り付けられている。よって、この変形例では、ＦＤＣ１１０がＦＣユニット１０８に搭載される搭載面は、水平な面ではなく垂直な面となる。第１実施形態に係るＦＤＣ１００や第２実施形態に係るＦＤＣ７０は、この変形例に示すＦＤＣ１１０のようにＦＣユニットに搭載してもよい。

ところで、図１に示す燃料電池車のパワートレーン系の形式は、バッテリ直結型と呼ばれている。バッテリ直結型では、例えば、バッテリ６の出力電圧が３５０Ｖであれば、この３５０Ｖの電圧がそのままインバータ４に供給される。ＦＣスタック９の出力電圧が２５０Ｖであるとすると、ＦＤＣ１０は、ＦＣユニット８から出力される電圧がバッテリ６の出力電圧と等しくなるように、２５０Ｖから３５０Ｖまで電圧を昇圧する。

燃料電池車のパワートレーン系の形式には、上記のようなバッテリ直結型の他にも、パラレル昇圧型やシリーズ昇圧型が存在する。本発明に係る電力変換器が搭載される燃料電池ユニットは、パラレル昇圧型やシリーズ昇圧型にも適用可能である。

図１５は、パラレル昇圧型の構成を示す概略図である。パラレル昇圧型では、バッテリ６とインバータ４との間にバッテリ昇圧コンバータ７が設けられている。バッテリ昇圧コンバータは、ＢＤＣと表記される。ＢＤＣ７は、ＦＤＣ１０とは並列にインバータ４に接続されている。パラレル昇圧型では、例えば、インバータ４の入力電圧が６００Ｖに設定されているとすると、ＦＤＣ１０は、ＦＣスタック９の出力電圧を２５０Ｖから６００Ｖまで昇圧し、ＢＤＣ７は、バッテリ６の出力電圧を３５０Ｖから６００Ｖまで昇圧する。

図１６は、シリーズ昇圧型の構成を示す概略図である。シリーズ昇圧型では、バッテリ６とインバータ４との間に、インバータ４に対してＦＤＣ１０と直列になるようにＢＤＣ７が設けられている。シリーズ昇圧型では、例えば、バッテリ６の出力電圧が３５０Ｖであり、インバータ４の入力電圧が６００Ｖに設定されているとすると、ＦＤＣ１０は、ＦＣユニット８から出力される電圧がバッテリ６の出力電圧と等しくなるように、２５０Ｖから３５０Ｖまで電圧を昇圧する。ＢＤＣ７は、３５０Ｖから６００Ｖまで電圧を昇圧する。

８ 燃料電池ユニット（ＦＣユニット）
９ 燃料電池スタック（ＦＣスタック）
１０ 電力変換器（ＦＤＣ）
１１ Ｐターミナル
１２，１２Ａ〜１２Ｄ リアクトル
１３，１３Ａ〜１３Ｄ 電流センサ
１４ パワーモジュール（ＩＰＭ）
１５ コンデンサ
１６ 分岐ボックス
１７ Ｎターミナル
１８ リアクトル冷却器
１９ ＩＰＭ基板
２０，２０Ａ〜２０Ｄ バスバ
３０ ケース
３１ 仕切り
５０ 搭載面
５１ リアクトルの中央を通る搭載面に平行な平面
７０ 電力変換器（ＦＤＣ）
１０１，１０２ 磁束
１０８ 燃料電池ユニット（ＦＣユニット）
１０９ 燃料電池スタック（ＦＣスタック）
１１０ 電力変換器（ＦＤＣ）

Claims (7)

1. 燃料電池ユニットに搭載される電力変換器において、
   リアクトルと、
   電力変換器の搭載面に沿って前記リアクトルと並べて配置されたパワーモジュールと、
   前記リアクトルの出力端子と前記パワーモジュールの入力端子とを接続するバスバと、
   前記バスバ上に設けられた電流センサと、
   前記リアクトルと前記電流センサとを隔てる、磁気シールド効果を有する金属を用いて形成された仕切りと、を備え、
   前記リアクトルの前記出力端子は、前記搭載面から見て前記リアクトルの中央を通る前記搭載面に平行な平面よりも遠い側である第１側の面と、前記搭載面から見て前記平面よりも近い側である第２側の面とのうち何れか一方の面に設けられ、
   前記バスバは、前記第１側と前記第２側とのうち前記リアクトルの前記出力端子が設けられている側とは反対の側において、前記リアクトルが配置されている空間から前記電流センサが配置されている空間へ前記仕切りを通過して延びている
   ことを特徴とする電力変換器。
2. 前記仕切りは、前記搭載面に対して立てられた壁部と、前記リアクトルと前記搭載面との間に位置し、前記壁部につながる底部とを含み、
   前記壁部は、前記パワーモジュール及び前記電流センサが配置されている空間の天井につながっている
   ことを特徴とする請求項１に記載の電力変換器。
3. 前記リアクトルの前記出力端子は、前記リアクトルの前記第１側の面に設けられ、
   前記パワーモジュールの前記入力端子は、前記パワーモジュールの前記搭載面に対向する面に設けられ、
   前記バスバは、前記壁部の前記第２側の端部を通過して前記パワーモジュールの前記入力端子に接続されている
   ことを特徴とする請求項２に記載の電力変換器。
4. 前記リアクトルの前記第２側の面には、前記リアクトルを冷却する水冷式の冷却器が取り付けられている
   ことを特徴とする請求項３に記載の電力変換器。
5. 前記バスバは、少なくとも前記仕切りから前記パワーモジュールの入力端子までの部分を真っすぐに形成されている
   ことを特徴とする請求項１乃至４の何れか１項に記載の電力変換器。
6. 前記バスバは、前記リアクトルの出力端子から前記仕切りまでの部分において折り曲げられている
   ことを特徴とする請求項５に記載の電力変換器。
7. 前記リアクトルは、前記搭載面に沿って一列に複数設けられ、
   前記仕切りは、前記リアクトルの列に沿って設けられている
   ことを特徴とする請求項１乃至５の何れか１項に記載の電力変換器。

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