JP5131556B2 - 電力変換装置 - Google Patents

Description

本発明は、２輪駆動や４輪駆動等の車両において、ＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）などの電力変換用のスイッチング素子を用いてモータジェネレータを駆動するインバータ装置と、ＤＣ／ＤＣコンバータ装置とを一体型とした電力変換装置に関する。

従来、電力変換装置は、複数の電力変換用のスイッチング素子を用いてモータジェネレータを駆動するインバータ装置と、インバータ装置に接続される高圧バッテリーの直流電力を異なる電圧の直流電力に変換して低圧バッテリーに充電するＤＣ／ＤＣコンバータ装置とを備える。インバータ装置と、ＤＣ／ＤＣコンバータ装置は、各々独立しているが、電力変換装置の小型化の要望からそれらを一体型とすることが要望されている。

この場合、電力変換装置は複数のスイッチング素子を用いるが、これらスイッチング素子の発熱を冷却するため、例えば特許文献１のように、スイッチング素子間に冷却水路を配置してスイッチング素子に当接させる構成がある。インバータ装置とＤＣ／ＤＣコンバータ装置とを一体型とする場合、ＤＣ／ＤＣコンバータ装置も発熱するので冷却水路に当接する構成を採る必要がある。この場合、インバータ装置内の冷却水路とＤＣ／ＤＣコンバータ装置内の冷却水路とをＥＰＤＭ製などのホースで接続する。なお、ＥＰＤＭとは、エチレンとプロピレン及び架橋用ジエンモノマーとの三元共重合体で、工業的に広く使用されているゴムである。
特開２００７−２６６６３４号公報

しかし、上記のようにインバータ装置とＤＣ／ＤＣコンバータ装置とを一体型とした場合、ＤＣ／ＤＣコンバータ装置が低圧バッテリーへの充電時に電力変換を行う際に、最大７０Ａの電流が流れる。低圧バッテリーの負極側はＤＣ／ＤＣコンバータ装置の筺体に接続されているため、その７０Ａの電流が筺体に流れ、冷却水路を形成する配管部分に電位差が生じる。この電位差によって、ＤＣ／ＤＣコンバータ装置とインバータ装置との冷却水路を接続するホースに電食が生じてホースが劣化するという問題がある。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、インバータ装置とＤＣ／ＤＣコンバータ装置との冷却水路を接続するホースに電食が生じないように、インバータ装置とＤＣ／ＤＣコンバータ装置とを一体型として小型化を図ることができる電力変換装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明による電力変換装置は、高圧バッテリーの直流電力が昇降圧コンバータで昇圧された電力を複数のスイッチング素子で交流電力に変換し、この交流電力でモータジェネレータを駆動し、当該モータジェネレータを発電機とする際に当該モータジェネレータから出力される交流電力を直流電力に変換し、この変換した直流電力を昇降圧コンバータで降圧して前記高圧バッテリーに回生するインバータ装置と、前記高圧バッテリーの直流電力を低圧の直流電力に変換して低圧バッテリーに充電するＤＣ／ＤＣコンバータ装置とを有し、前記インバータ装置及び前記ＤＣ／ＤＣコンバータ装置が個別に金属製の筺体内に発熱を抑制する冷却水路を伴って形成されている電力変換装置において、前記インバータ装置と前記ＤＣ／ＤＣコンバータ装置との筺体同士を結合して一体型にすると共に、当該インバータ装置と当該ＤＣ／ＤＣコンバータ装置との筺体内に形成された冷却水路の出入口を所定の抵抗値を有するホースで接続し、前記筺体同士の結合部分の第１の抵抗値と前記ホースの第２の抵抗値との合成抵抗値を、電力変換動作時のＤＣ／ＤＣコンバータ装置から筺体とホースに電流が流れた際に、当該ホースに電食を発生させない電位差以下の電圧が生じる値となるようにしたことを特徴とする。

この構成によれば、インバータ装置とＤＣ／ＤＣコンバータ装置との冷却水路を接続するホースに電食が生じないように、インバータ装置とＤＣ／ＤＣコンバータ装置とを一体型として電力変換装置を構成したので、電力変換装置の小型化を図ることができる。

また、本発明による電力変換装置は、前記合成抵抗値が、約７ｍΩ以下であることを特徴とする。

この構成によれば、電力変換動作時のＤＣ／ＤＣコンバータ装置から結合された筺体とホースに最大７０Ａの電流が流れるが、この際に、筺体とホースの合成抵抗値が７ｍΩなので、ＤＣ／ＤＣコンバータ装置とインバータ装置との間の電位差は、約０．５Ｖとなる。ホースに電食を発生させない電位差は０．５Ｖ以下であるため、この条件を満足することになる。

また、本発明による電力変換装置は、前記ホースは、エチレンとプロピレン及び架橋用ジエンモノマーとの三元共重合体で且つカーボンを含有するＥＰＤＭ製であって、前記筺体同士の結合部分の第１の抵抗値に応じて、前記合成抵抗値が当該ホースに電食を発生させない電位差以下の電圧が生じる値となるように、当該カーボンの量が調整されることを特徴とする。

この構成によれば、インバータ装置とＤＣ／ＤＣコンバータ装置との筺体の結合部分の強弱等に応じて第１の抵抗値の大きさが異なるが、第１の抵抗値が高い場合は、ホースに含まれるカーボンの量を増やして第２の抵抗値を低くすればよい。このようにカーボン量で合成抵抗値を所定値以下とすることができる。

また、本発明による電力変換装置は、前記インバータ装置とＤＣ／ＤＣコンバータ装置との筺体同士の結合後に、当該筺体同士を導電材料で接続することを特徴とする。

この構成によれば、第１の抵抗値を小さくすることができるので、第２の抵抗値との合成抵抗値を所定値以下とする際に、し易くなる。

以上説明したように本発明によれば、インバータ装置とＤＣ／ＤＣコンバータ装置との冷却水路を接続するホースに電食が生じないように、インバータ装置とＤＣ／ＤＣコンバータ装置とを一体型として小型化を図ることができるという効果がある。

以下、本発明の実施形態を、図面を参照して説明する。但し、本明細書中の全図において相互に対応する部分には同一符号を付し、重複部分においては後述での説明を適時省略する。

図１は、本発明の実施形態に係る電力変換装置の構成を示す図である。

図１に示す電力変換装置１は、アルミダイキャスト製の筺体で形成されたインバータ装置２と、アルミダイキャスト製の筺体で形成されたＤＣ／ＤＣコンバータ装置３とがねじ止めにより結合され、インバータ装置２の冷却水路の出口とＤＣ／ＤＣコンバータ装置３の冷却水路の入口とがカーボンを含有するＥＰＤＭ製のホース４で接続されて一体型に構成されている。なお、インバータ装置２とＤＣ／ＤＣコンバータ装置３との筺体の結合は、ねじ止めの他に、ボルト、ナット止めや、各筺体のエッジ部を挟む手法であっても良い。

また、冷却水路内の冷媒を冷却するラジエータ５の出口がホース６でポンプ７の入口に接続され、ポンプ７の出口がホース８でＤＣ／ＤＣコンバータ装置３の冷却水路の入口に接続され、上記のようにＤＣ／ＤＣコンバータ装置３の出口がホース４でインバータ装置２の入口に接続され、更に、インバータ装置２の冷却水路の出口がホース９でラジエータ５の入口に接続されている。なお、他のホース６，８，９もＥＰＤＭ製であるとする。

このような電力変換装置１の電気回路の構成図を図２に示す。

インバータ装置２は、昇降圧コンバータ１２と、モータジェネレータＭＧ１用のインバータ１３と、モータジェネレータＭＧ２用のインバータ１４と、各インバータ１３，１４の間に接続され、蓄電の役割も有するサージ電圧吸収用コンデンサ１５とを備えて構成されている。

ＤＣ／ＤＣコンバータ装置３は、アルミダイキャスト製の筺体３ａ内に配設されており、インバータ装置１６に接続される高圧バッテリー１８の直流電力を低圧の直流電力に変換して低圧バッテリー１９に充電する。低圧バッテリー１９の負極側は、ＤＣ／ＤＣコンバータ装置３の筺体３ａに接続され、アースされている。筺体３ａもアースされている。また、低圧バッテリー１９には、カーナビゲーション、カーオーディオ、ライト、計器類などの負荷装置２０が接続されている。なお、低圧バッテリー１９と負荷装置２０はＤＣ／ＤＣコンバータ装置３の構成要素とは異なる。

高圧バッテリー１８は、昇降圧コンバータ１２に接続されており、昇降圧コンバータ１２に直流電力を供給し、また昇降圧コンバータ１２から回生される直流電力を蓄電する。

昇降圧コンバータ１２は、高圧バッテリー１８から供給された直流電力を昇圧してインバータ１３及び１４へ出力し、またインバータ１３及び１４から出力された直流電力を降圧して高圧バッテリー１８へ出力する。また、昇降圧コンバータ１２は、コンデンサ２３と、リアクトル２４と、高圧側の半導体素子である上アーム用スイッチング素子（電力変換用スイッチング素子）２１と、高圧ＧＮＤ（グランド）側の半導体素子である下アーム用スイッチング素子（電力変換用スイッチング素子）２２と、ダイオードＤ１，Ｄ２を含んで構成されている。

これら構成要素は、高圧バッテリー１８の正極側にコンデンサ２３及びリアクトル２４の一端が接続され、負極側にコンデンサ２３の他端と下アーム用スイッチング素子２２のエミッタ端子が接続されている。上アーム用スイッチング素子２１と下アーム用スイッチング素子２２とは直列に接続されており、リアクトル２４の他端は、その間、つまり上アーム用スイッチング素子２１のエミッタ端子及び下アーム用スイッチング素子２２のコレクタ端子に接続されている。

上アーム用スイッチング素子２１のコレクタ端子は、後述するＭＧ１用インバータ１３及びＭＧ２用インバータ１４の一端側に接続されている。下アーム用スイッチング素子２２のエミッタ端子は、ＭＧ１用インバータ１３及びＭＧ２用インバータ１４の他端側に接続されている。スイッチング素子２１，２２のコレクタ−エミッタ間には、エミッタ側からコレクタ側に電流を流すダイオードＤ１，Ｄ２が接続されている。また、スイッチング素子２１，２２のゲート端子は、図示せぬ制御手段に接続されている。

モータジェネレータＭＧ１及びモータジェネレータＭＧ２は、それぞれＭＧ１用インバータ１３、ＭＧ２用インバータ１４に接続されており、高圧バッテリー１８から供給される電力により駆動する。発電機として働く場合は、交流電力をそれぞれに接続されるインバータ１３及び１４に出力する。なお、モータジェネレータＭＧ１及びＭＧ２は、インバータ装置２の構成要素とは異なる。

ＭＧ１用インバータ１３及びＭＧ２用インバータ１４は、互いに並列に接続されており、昇降圧コンバータ１２によって昇圧された直流電力を三相交流に変換して、モータジェネレータＭＧ１及びＭＧ２に出力する。また、モータジェネレータＭＧ１及びＭＧ２が発電機として働く場合は、モータジェネレータＭＧ１及びＭＧ２から出力される交流電力を直流に変換して昇降圧コンバータ１２に出力する。

ＭＧ１用インバータ１３は、Ｕ相３１、Ｖ相３２及びＷ相３３からなり、Ｕ相３１、Ｖ相３２及びＷ相３３は、昇降圧コンバータ１２に並列に接続されている。Ｕ相３１は、高圧側の半導体素子の上アーム用スイッチング素子３４と高圧ＧＮＤ側の半導体素子の下アーム用スイッチング素子３５とが直列に接続されてなる。同様に、Ｖ相は上アーム用スイッチング素子３６と下アーム用スイッチング素子３７、Ｗ相は上アーム用スイッチング素子３８と下アーム用スイッチング素子３９が直列に接続されてなる。

各スイッチング素子３４〜３９のコレクタ−エミッタ間には、エミッタ側からコレクタ側へ電流を流すダイオードＤ３〜Ｄ８がそれぞれ接続されている。各スイッチング素子３４〜３９のゲート端子には、図示せぬモータ制御手段からのＰＷＭ（パルス幅変調）指令信号が入力され、当該スイッチング素子３４〜３９の駆動が制御されるようになっている。ＵＶＷ各相の中間点は、モータジェネレータＭＧ１の各相コイル（図示略）の各相端に接続されている。

ＭＧ２用インバータ１４は、Ｕ相４１、Ｖ相４２及びＷ相４３からなり、Ｕ相４１、Ｖ相４２及びＷ相４３は、昇降圧コンバータ１２及びＭＧ１用インバータ１３に並列に接続されている。Ｕ相４１は、高圧側の半導体素子の上アーム用スイッチング素子４４と高圧ＧＮＤ側の半導体素子の下アーム用スイッチング素子４５とが直列に接続されてなる。同様に、Ｖ相は上アーム用スイッチング素子４６と下アーム用スイッチング素子４７、Ｗ相は上アーム用スイッチング素子４８と下アーム用スイッチング素子４９が直列に接続されてなる。

各スイッチング素子４４〜４９のコレクタ−エミッタ間には、エミッタ側からコレクタ側へ電流を流すダイオードＤ９〜Ｄ１４がそれぞれ接続されている。各スイッチング素子４４〜４９のゲート端子には、モータ制御手段からのＰＷＭ指令信号が入力され、当該スイッチング素子４４〜４９の駆動が制御されるようになっている。ＵＶＷ各相の中間点は、モータジェネレータＭＧ２の各相コイル（図示略）の各相端に接続されている。ここで、昇降圧コンバータ１２及びインバータ１３，１４にそれぞれ含まれるスイッチング素子は、ＩＧＢＴ等のパワーデバイスが用いられているとする。

このような電力変換装置１においては、高圧バッテリー１８の直流電力が昇降圧コンバータ１２で昇圧されてインバータ１３及び１４で三相交流に変換され、この三相交流でモータジェネレータＭＧ２が駆動される。一方、モータジェネレータＭＧ１が発電機として働く場合は、モータジェネレータＭＧ１から出力される交流電力がインバータ１３で直流電力に変換され、更に昇降圧コンバータ１２で降圧されて高圧バッテリー１８に回生される。また、ＤＣ／ＤＣコンバータ装置３によって高圧バッテリー１８の直流電力が異なる電圧の直流電力に変換され、この変換された直流電力が低圧バッテリー１９に充電される。

このように外観構造的、冷却水路構造的、電気回路的に一体に構成された電力変換装置１の特徴は、図３に示すように、インバータ装置２とＤＣ／ＤＣコンバータ装置３とを形成する各々のアルミダイキャスト製の筺体同士をねじ止め５１すると共に、インバータ装置２とＤＣ／ＤＣコンバータ装置３の内部に形成された冷却水路の出入口をＥＰＤＭ製のホース４で接続する。そして、図４に示すように、ねじ止め部分の第１の抵抗値Ｒ１と、ホース４部分の第２の抵抗値Ｒ２との合成抵抗値Ｒを、電力変換動作時のＤＣ／ＤＣコンバータ装置３から筺体とホース４に最大７０Ａの電流Ｉａが流れた際に、ホース４に電食を発生させない電位差以下の電圧Ｖａが生じる値となるようにした。なお、合成抵抗値Ｒ＝Ｒ１・Ｒ２／（Ｒ１＋Ｒ２）である。

つまり、ホース４に電食を発生させない電位差Ｖａは０．５Ｖ以下であるため、この際の合成抵抗値Ｒは、０．５Ｖ／７０Ａ≒７ｍΩとなる。従って、合成抵抗値Ｒが７ｍΩ以下となるように、第１の抵抗値Ｒ１と第２の抵抗値Ｒ２とを定める。

第１の抵抗値Ｒ１は、インバータ装置２とＤＣ／ＤＣコンバータ装置３との筺体のねじ止めによる結合度合いで決まるが、その結合度合いが弱い程に抵抗値Ｒ１が高くなる。抵抗値Ｒ１を低くするには結合度合いを強くすればよいが、更に抵抗値Ｒ１を低くするには筺体同士をねじ止めで結合後に導電部材で接続する等の構成をとっても良い。

第２の抵抗値Ｒ２はホース４の抵抗値となるが、ホース４はＥＰＤＭ製であり、その成分としてカーボンが配合されているので、カーボンの量を調整して抵抗値を変化させる。カーボンの量を少なくすると抵抗値Ｒ２が高くなる。

そこで、第１の抵抗値Ｒ１が高い場合は、ホース４のカーボン量を多くして第２の抵抗値Ｒ２を低くする。逆に、第１の抵抗値Ｒ１が低い場合は、ホース４のカーボン量を少なくして第２の抵抗値Ｒ２を高くすればよい。

このように本実施形態の電力変換装置１では、インバータ装置２とＤＣ／ＤＣコンバータ装置３との筺体同士を結合して一体型にすると共に、インバータ装置２とＤＣ／ＤＣコンバータ装置３との筺体内に形成された冷却水路の出入口を所定の抵抗値を有するホース４で接続し、筺体同士の結合部分の第１の抵抗値Ｒ１とホース４の第２の抵抗値Ｒ２との合成抵抗値Ｒを、電力変換動作時のＤＣ／ＤＣコンバータ装置３から筺体とホース４に電流が流れた際に、ホース４に電食を発生させない電位差以下の電圧が生じる値となるようにした。

つまり、インバータ装置２とＤＣ／ＤＣコンバータ装置３との冷却水路を接続するホース４に電食が生じないように、インバータ装置２とＤＣ／ＤＣコンバータ装置３とを一体型として電力変換装置１を構成したので、電力変換装置の小型化を図ることができる。

また、合成抵抗値Ｒを、約７ｍΩ以下とした。

従って、電力変換動作時のＤＣ／ＤＣコンバータ装置３から結合された筺体とホース４に最大７０Ａの電流が流れるが、この際に、筺体とホース４の合成抵抗値が７ｍΩなので、ＤＣ／ＤＣコンバータ装置３とインバータ装置２との間の電位差は、約０．５Ｖとなる。ホース４に電食を発生させない電位差は０．５Ｖ以下であるため、この条件を満足することになる。

また、ホース４は、エチレンとプロピレン及び架橋用ジエンモノマーとの三元共重合体で且つカーボンを含有するＥＰＤＭ製であって、筺体同士の結合部分の第１の抵抗値Ｒ１に応じて、合成抵抗値Ｒがホース４に電食を発生させない電位差以下の電圧が生じる値となるように、カーボンの量が調整されるようにした。

これによって、インバータ装置２とＤＣ／ＤＣコンバータ装置３との筺体の結合部分の強弱等に応じて第１の抵抗値Ｒ１の大きさが異なるが、第１の抵抗値Ｒ１が高い場合は、ホース４に含まれるカーボンの量を増やして第２の抵抗値Ｒ２を低くすればよい。このようにカーボン量で合成抵抗値Ｒを所定値以下とすることができる。

また、ホース４として上記のＥＰＤＭ製であって、ホース内部に金属メッシュが周回されて配設されたタイプのものを用いても良い。この場合、第２の抵抗値Ｒ２を減少させることができる。

また、インバータ装置２とＤＣ／ＤＣコンバータ装置３との筺体同士の結合を行った後に、筺体同士を導電材料で接続する構成としても良い。

この構成によれば、第１の抵抗値Ｒ１を小さくすることができるので、第２の抵抗値Ｒ２との合成抵抗値Ｒを所定値以下とする際に、し易くなる。

また、ＤＣ／ＤＣコンバータ装置が低圧バッテリーへの充電時に電力変換を行う際に、流れる電流が本実施例と異なる仕様となる場合は、その電流値に応じてホースに電食を発生しない電位差以下となるよう、合成抵抗を調整する。

本発明の実施形態に係る電力変換装置の構成を示す図である。 本実施形態の電力変換装置の電気回路の構成図である。 本実施形態の電力変換装置の第１及び第２の抵抗値と、ＤＣ／ＤＣコンバータ装置から流れる電流を示す図である。 本実施形態の電力変換装置の第１及び第２の抵抗値と、ＤＣ／ＤＣコンバータ装置から流れる電流と、発生電圧との関係を回路図である。

符号の説明

１ 電力変換装置
２ インバータ装置
３ ＤＣ／ＤＣコンバータ装置
３ａ ＤＣ／ＤＣコンバータ装置の筺体
４，６，８，９ ホース
５ ラジエータ
７ ポンプ
１２ 昇降圧コンバータ
１３ ＭＧ１用インバータ
１４ ＭＧ２用インバータ
１５ サージ電圧吸収用コンデンサ
１６ 駆動制御部
１８ 高圧バッテリー
１９ 低圧バッテリー
２０ 負荷装置
２１，２２，３４〜３９，４４〜４９ スイッチング素子
２３ コンデンサ
２４ リアクトル
５１ ねじ止め部分

Claims (4)

1. 高圧バッテリーの直流電力が昇降圧コンバータで昇圧された電力を複数のスイッチング素子で交流電力に変換し、この交流電力でモータジェネレータを駆動し、当該モータジェネレータを発電機とする際に当該モータジェネレータから出力される交流電力を直流電力に変換し、この変換した直流電力を昇降圧コンバータで降圧して前記高圧バッテリーに回生するインバータ装置と、前記高圧バッテリーの直流電力を低圧の直流電力に変換して低圧バッテリーに充電するＤＣ／ＤＣコンバータ装置とを有し、前記インバータ装置及び前記ＤＣ／ＤＣコンバータ装置が個別に金属製の筺体内に発熱を抑制する冷却水路を伴って形成されている電力変換装置において、
   前記インバータ装置と前記ＤＣ／ＤＣコンバータ装置との筺体同士を結合して一体型にすると共に、当該インバータ装置と当該ＤＣ／ＤＣコンバータ装置との筺体内に形成された冷却水路の出入口を所定の抵抗値を有するホースで接続し、
   前記筺体同士の結合部分の第１の抵抗値と前記ホースの第２の抵抗値との合成抵抗値を、電力変換動作時のＤＣ／ＤＣコンバータ装置から筺体とホースに電流が流れた際に、当該ホースに電食を発生させない電位差以下の電圧が生じる値となるようにしたことを特徴とする電力変換装置。
2. 前記合成抵抗値が、約７ｍΩ以下であることを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
3. 前記ホースは、エチレンとプロピレン及び架橋用ジエンモノマーとの三元共重合体で且つカーボンを含有するＥＰＤＭ製であって、前記筺体同士の結合部分の第１の抵抗値に応じて、前記合成抵抗値が当該ホースに電食を発生させない電位差以下の電圧が生じる値となるように、当該カーボンの量が調整されることを特徴とする請求項１又は２に記載の電力変換装置。
4. 前記インバータ装置とＤＣ／ＤＣコンバータ装置との筺体同士の結合後に、当該筺体同士を導電材料で接続することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の電力変換装置。

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