JP4718840B2 - コンデンサ装置および車両 - Google Patents

Description

本発明は、コンデンサ装置およびそれを備える車両に関し、より特定的には、平滑用の大容量コンデンサ装置およびそれを備える車両に関する。

特開２００３−３３８４２１号公報（特許文献１）には、コンデンサ素子の耐湿性および対塵性を向上させるためにコンデンサ素子を収容する外装ケース内に充填樹脂をモールドするコンデンサ装置が開示されている。
特開２００３−３３８４２１号公報 特開２００１−２５７１２８号公報 特開平４−９１４１９号公報 特開昭６３−７９３０９号公報 特開平６−２５２０１４号公報

近年、モータで車輪を駆動する電気自動車、ハイブリッド自動車および燃料電池自動車が注目を浴びている。自動車用のモータを制御するインバータ装置は、小型化および軽量化が要求されており、インバータ装置のサイズも年々小型化が進んでいる。このため、スイッチング損失等に起因する発熱も小さな領域に集中するようになってきている。

自動車用モータを駆動するインバータ回路の平滑用コンデンサには、高周波大電流、大容量化の要望を満たすために複数個のコンデンサ素子が並列接続されて用いられる。さらに、車両のボンネット内部に設置されるとはいっても屋外で使用されるものであり、高耐湿性が必要でありまた機械的強度も要求されるため、金属ケースに収容されまた内部を防湿樹脂で充填している。つまり、コンデンサは素子保護のため熱がこもりやすい構造となっている。

したがって、インバータ装置において発生する熱により温度が上昇しないようにしておくことが必要である。

本発明の目的は、放熱性能が向上したコンデンサ装置およびそれを備える車両を提供することである。

この発明は、要約すると、コンデンサ装置であって、第１、第２の電極を有するコンデンサと、コンデンサを収容するケースと、コンデンサとケースとの隙間に充填され、高熱伝導性を有する第１の樹脂部とを備える。

好ましくは、第１の樹脂部は、ケースの底部とコンデンサとの隙間に充填される。

好ましくは、コンデンサ装置は、第１の樹脂部の上部に充填され、第１の樹脂部よりも機械的強度が高い第２の樹脂部をさらに備える。

好ましくは、ケースの内表面は、凸凹が形成されている。

好ましくは、コンデンサは、第１、第２の電極間に並列接続された複数のコンデンサ素子を含む。

この発明の他の局面に従うと、車両であって、上記いずれかのコンデンサ装置と、コンデンサ装置のケースに接合される筐体に収容されたインバータ装置とを備える。ケースと筐体との接合面は防水処理が施されている。

本発明によれば、熱伝導率のよい樹脂部によって走行風によって冷却されるケースに熱を放散させる。また機械的強度は、機械的強度の高い樹脂部によって確保される。したがって、放熱性能の良いコンデンサ装置を実現できる。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳しく説明する。なお、同一または相当部品には同一の符号を付してそれらについての説明は繰返さない。

［コンデンサ装置の用いられるシステムの構成］
図１は、本発明のコンデンサ装置が用いられるモータ駆動システムの構成を示した回路図である。このようなモータ駆動システムは、たとえば電気自動車、ハイブリッド自動車および燃料電池自動車などに搭載されるシステムである。

図１に示されるモータ駆動システムは、バッテリ１と、システムメインリレー４１と、コンデンサ装置３と、インバータ装置２と、モータ４０と、モータ制御回路３０とを含む。

バッテリ１は、たとえばニッケル水素またはリチウムイオン等の二次電池である。システムメインリレー４１は、モータ制御回路３０からの信号によりオン／オフされる。

インバータ装置２は、コンデンサ装置３によって平滑化された電源電位を受けて交流モータ４０を駆動する。また、インバータ装置２は、回生制動に伴い交流モータ４０において発電された電力をバッテリ１に戻す。

交流モータ４０は、車両の図示しない駆動輪を駆動するためのトルクを発生するためのモータである。このモータは、たとえば、ハイブリッド自動車に搭載される場合には、エンジンによって駆動される発電機の機能を持ち、かつ、エンジンに対して電動機として動作しエンジンの始動を行ない得るようなものであってもよい。

インバータ装置２は、Ｕ相アームＵＡと、Ｖ相アームＶＡと、Ｗ相アームＷＡと、電流センサ２１と、電流センサ２１の出力を受けて各相アームの制御を行なうＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）制御回路２０とを含む。インバータ装置２は、インテリジェントパワーモジュール（ＩＰＭ）として１つのケースに収められていても良い。

Ｕ相アームＵＡ、Ｖ相アームＶＡ、およびＷ相アームＷＡは、コンデンサ装置３の両端子に接続されるバスバー１ｃ、１ｄ間に並列に接続される。

Ｕ相アームＵＡは、直列接続されたＩＧＢＴ素子４，５と、ＩＧＢＴ素子４，５とそれぞれ並列に接続されるダイオード１０，１１とを含む。ダイオード１０のカソードはＩＧＢＴ素子４のコレクタと接続され、ダイオード１０のアノードはＩＧＢＴ素子４のエミッタと接続される。ダイオード１１のカソードはＩＧＢＴ素子５のコレクタと接続され、ダイオード１１のアノードはＩＧＢＴ素子５のエミッタと接続される。

Ｖ相アームＶＡは、直列接続されたＩＧＢＴ素子６，７と、ＩＧＢＴ素子６，７とそれぞれ並列に接続されるダイオード１２，１３とを含む。ダイオード１２のカソードはＩＧＢＴ素子６のコレクタと接続され、ダイオード１２のアノードはＩＧＢＴ素子６のエミッタと接続される。ダイオード１３のカソードはＩＧＢＴ素子７のコレクタと接続され、ダイオード１３のアノードはＩＧＢＴ素子７のエミッタと接続される。

Ｗ相アームＷＡは、直列接続されたＩＧＢＴ素子８，９と、ＩＧＢＴ素子８，９とそれぞれ並列に接続されるダイオード１４，１５とを含む。ダイオード１４のカソードはＩＧＢＴ素子８のコレクタと接続され、ダイオード１４のアノードはＩＧＢＴ素子８のエミッタと接続される。ダイオード１５のカソードはＩＧＢＴ素子９のコレクタと接続され、ダイオード１５のアノードはＩＧＢＴ素子９のエミッタと接続される。

各相アームの中間点は、交流モータ４０の各相コイルの各相端に接続されている。すなわち、交流モータ４０は、三相の永久磁石モータであり、Ｕ，Ｖ，Ｗ相の３つのコイルは各々一方端が中点に共に接続されている。そして、Ｕ相コイルの他方端がＩＧＢＴ素子４，５の接続ノードに接続される。またＶ相コイルの他方端がＩＧＢＴ素子６，７の接続ノードに接続される。またＷ相コイルの他方端がＩＧＢＴ素子８，９の接続ノードに接続される。

モータ制御回路３０は、インバータ装置２に対して、直流電圧をモータ４０を駆動するための交流電圧に変換する駆動指示とモータ４０で発電された交流電圧を直流電圧に変換してバッテリ１側に戻す回生指示とを出力する。

［コンデンサ装置の構成］
図２は、図１のコンデンサ装置３の平面図である。

図３は、図２のコンデンサ装置３のＩＩＩ−ＩＩＩにおける断面図である。

図４は、図２のコンデンサ装置３のＩＶ−ＩＶにおける断面図である。

図２〜図４を参照して、コンデンサ装置３は、金属製のケース４２と、ケース４２の内部に配置される複数のコンデンサ素子５０と、複数のコンデンサ素子５０の各々の正電極に接続される金属板５４と、複数のコンデンサ素子５０の各々の負電極に接続される金属板５２とを含む。金属板５４には、＋端子１ａが接続されており、金属板５２には−端子１ｂが接続されている。

コンデンサ素子５０は、たとえば耐圧性の高いポリエステルやポリプロピレンなどのフィルムを誘電体として用いたフィルムコンデンサである。

コンデンサ素子５０の各々は、ベースのフィルム材に金属薄膜を蒸着したものを巻回して構成する。巻回後には両端部に正負それぞれの電極金属薄膜が露出しているので、露出している電極薄膜部分にメタリコンと呼ばれる溶射金属を形成し、メタリコンの部分と金属板５２，５４とをはんだ付けで接続する。金属板５２，５４の間には、複数のコンデンサ素子５０が並列接続される。

金属製のケース４２は、例えば大量生産が可能なアルミダイカスト製である。金属製のケース４２により内部のコンデンサ素子５０は外部からの衝撃等から保護される。また、金属製のケース４２は、インバータ装置２と組み合わされたときにおいて、インバータ装置２から発生する電磁的ノイズを外部に漏洩させないためのシールドとしての効果も有する。ケース４２の内面は、アルマイト処理を施してその上から絶縁樹脂コーティングされている。

コンデンサ素子５０の耐湿性を確保し、振動に対する機械的強度を向上させるために、ケース４２にはエポキシ樹脂等が充填される。ケース４２の底面部つまり金属板５４とケースの隙間を含む部分には、高熱伝導性の樹脂を充填して樹脂部４８が形成されている。

高熱伝導性の樹脂は、たとえばエポキシ樹脂にエポキシ樹脂よりも熱伝導率が良い材料の粉末を配合したものを使用することができる。ケースの絶縁樹脂コーティングの厚みを十分にとれば、熱伝導率が良い材料の粉末は金属粉なども使用可能である。

しかし、熱伝導率が良い材料の粉末を配合すると、エポキシ樹脂の機械的強度は低下する場合がある。このため機械的強度を確保するため、樹脂部４８の上部には樹脂部４８よりも熱伝導率は良くないが機械的強度の高い樹脂部４６が形成されている。樹脂部４６としては、そのような粉末を配合しないエポキシ樹脂を使用することができる。

樹脂部４６，４８の境界面での分離を防ぎ、ケース４２との接触面積を拡大し密着性を向上させるため、ケース内面の少なくとも側面部には凹凸加工がされている。例えばこの凹凸加工は、金型に凹凸形状を設けてアルミダイカストによりケースを作成することによって形成することができる。凹凸形状は、図２で示されるように四角い凹みを設ける以外にも半円型や三角型等他の形状の凹みを設けるようにしても良い。

端子１ａおよび１ｂはケース４２に充填された樹脂部４６から上方に突出しており、各々の先端部分にボルト取付け用の孔が設けられている。

図５は、コンデンサ装置とインバータ装置が接続された状態を示す図である。

図５を参照して、インバータ装置２は、冷却器６０上に設けられた回路基板６１，６２，６３と、回路基板上に搭載されたＩＧＢＴ素子４，５と、ＩＧＢＴ素子４，５と隣接基板とを接続するワイヤ６４，６５とを含む。基板６１にはバスバーによって端子１ａが接続され、基板６３にはバスバーによって端子１ｂが接続される。

インバータ装置２とコンデンサ装置３とは、ケース同士を組合せることによって内部の素子を保護するケースが形成されている。インバータ装置２のケースとコンデンサ装置３のケースの接続部分は、液状ガスケット７０により防水処理されている。

液状ガスケットは、塗布してケースを接続するとその後硬化して防水性のあるガスケットが形成されるシール材である。液状ガスケットに代えてＯリングなどのパッキンを使用しても良い。

図６は、コンデンサ装置３の製造工程を説明するためのフローチャートである。

図３、図６を参照して、まずステップＳ１において、コンデンサ素子と電極のアセンブリが行なわれる。ここでコンデンサ素子５０を複数個並列に組合せて金属板５２、５４と電極をはんだ付け等で接続する。

次にステップＳ２において、金属製のケース４２の底部に絶縁を確保するためのスペーサを配置する。なお、金属製のケース４２の表面に予め塗布してある絶縁コート樹脂の厚みが十分であればステップＳ２のスペーサを使用しなくても良い。

つづいてステップＳ３において、ステップＳ１でアセンブリされたコンデンサ素子をケース４２に入れる。そしてステップＳ４において横方向の位置を決めて絶縁を確保するための治具をセットする。

そして、ステップＳ５においてケース４２の底部に樹脂部４８を形成するため高熱伝導樹脂を充填する。樹脂部４８が硬化した後にステップＳ６において、ステップＳ４でセットした治具を取り除く。

その後、ステップＳ７において樹脂部４８よりも機械的強度の高い樹脂部４６を形成するために樹脂を充填する。樹脂部４６が硬化すると、ステップＳ８において処理が終了する。

以上説明したように、本発明のコンデンサ装置は、熱伝導率のよい樹脂部４８によって走行風によって冷却される金属ケース４２に熱を放散させる。また機械的強度は、樹脂部４８よりも機械的強度の高い樹脂部４６によって確保される。したがって、強度が確保され、かつ放熱性能の良いコンデンサ装置を実現できる。

なお例えば、樹脂製のケースを用意してその中にアセンブリされたコンデンサ素子を充填して絶縁を確保し、衝撃保護のためそれをさらに金属製のケースに収容しても良いが、図２〜図４の構成ではそのような樹脂ケースを用いなくて済み、構造が簡単になっている。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

本発明のコンデンサ装置が用いられるモータ駆動システムの構成を示した回路図である。 図１のコンデンサ装置３の平面図である。 図２のコンデンサ装置３のＩＩＩ−ＩＩＩにおける断面図である。 図２のコンデンサ装置３のＩＶ−ＩＶにおける断面図である。 コンデンサ装置とインバータ装置が接続された状態を示す図である。 コンデンサ装置３の製造工程を説明するためのフローチャートである。

符号の説明

１ バッテリ、１ａ，１ｂ 端子、１ｃ，１ｄ バスバー、２ インバータ装置、３ コンデンサ装置、４〜９ ＩＧＢＴ素子、１０〜１５ ダイオード、２０ 制御回路、２１ 電流センサ、３０ モータ制御回路、４０ モータ、４１ システムメインリレー、４２ 金属ケース、４６，４８ 樹脂部、５０ コンデンサ素子、５２，５４ 金属板、６０ 冷却器、６１，６２，６３ 回路基板、６４，６５ ワイヤ、７０ 液状ガスケット、ＵＡ Ｕ相アーム、ＶＡ Ｖ相アーム、ＷＡ Ｗ相アーム。

Claims (5)

1. 第１、第２の電極を有するコンデンサと、
   前記コンデンサを収容するケースと、
   前記コンデンサと前記ケースの底部との隙間に充填される第１の樹脂部と、
   前記第１の樹脂部の上部に充填され、前記第１の樹脂部よりも機械的強度が高い第２の樹脂部とを備え、
   前記第１の樹脂部は前記第２の樹脂部よりも高い熱伝導性を有し、
   前記第１の樹脂部は、前記第２の樹脂部の樹脂材料に前記樹脂材料よりも熱伝導率の良い粉末材料を配合して形成される、コンデンサ装置。
2. 前記ケースは、インバータ装置の筐体に接合され、
   前記第２の樹脂部は前記第１の樹脂部よりも前記インバータ装置の筐体側に配置される、請求項１に記載のコンデンサ装置。
3. 前記ケースの内表面は、凸凹が形成されている、請求項１または２に記載のコンデンサ装置。
4. 前記コンデンサは、
   前記第１、第２の電極間に並列接続された複数のコンデンサ素子を含む、請求項１〜３のいずれか１項に記載のコンデンサ装置。
5. 請求項１，３，４のいずれか１項に記載のコンデンサ装置と、
   前記コンデンサ装置の前記ケースに接合される筐体に収容されたインバータ装置とを備え、
   前記ケースと前記筐体との接合面は防水処理が施されている、車両。

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