JP5268880B2

JP5268880B2 - 電力変換装置

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Publication number: JP5268880B2
Application number: JP2009291700A
Authority: JP
Inventors: 雄太沼倉
Original assignee: Hitachi Automotive Systems Ltd
Current assignee: Hitachi Astemo Ltd
Priority date: 2009-12-24
Filing date: 2009-12-24
Publication date: 2013-08-21
Anticipated expiration: 2029-12-24
Also published as: JP2011135666A

Description

本発明は電力変換装置に係わり、特にハイブリッド電気自動車に用いられる電力変換装置に関する。

電力変換装置は、主にインバータ主回路と、インバータ主回路の直流電源端子に並列接続される平滑用コンデンサと、インバータ主回路を制御する制御回路とから構成されている。インバータ主回路は、複数のパワー半導体を有しており、複数のパワー半導体は、所定の数を単位としてパワーモジュールを構成する。このため、インバータ主回路は、複数のパワー半導体を備えた１個または複数個のパワーモジュールとして構成される。

内燃機関を使用することなく、電気モータの出力により動作する純粋な電気自動車や、内燃機関を併用するハイブリッド電気自動車では、車両全体の容積に対する室内の割合をできるだけ大きくし、居住性を良くすることが望まれている。このため、電力変換装置は車室外、とりわけエンジンルームの、できるだけ小さなスペースに搭載されることが望まれている。

また、車両に搭載される回転電機は、より大電力化，高圧化の傾向にあり、この解決策として構成部品の耐電圧を上げられるように、低インダクタンス化を図ったパワーモジュール配置となっている（特許文献１）。

しかし、エンジンルーム内の温度環境は従来の使用環境より高く、特に高温域での使用は、電力変換装置の制御機能低下や構造部品の劣化を早めることが考えられる。

特開２００８−２２８５０２号公報

これらのことを鑑みて、本発明の課題は、高温度環境による装置の機能低下や構造部品の劣化促進を防ぎ、且つ多機能化による大型化を抑えた電力変換装置を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明に係る電力変換装置は、エンジンの駆動力及びモータの駆動力によって駆動するハイブリッド自動車に用いられる電力変換装置であって、冷却媒体を流すための水路を形成した水路形成体と、直流電流を交流電流に変換するためのパワー半導体素子を有し、かつ前記水路形成体に固定されたパワーモジュールと、前記直流電流を平滑化するための平滑コンデンサモジュールと、前記パワー半導体素子の耐熱温度よりも大きい耐熱温度である電子回路部品と、前記パワーモジュール、前記平滑コンデンサモジュール、前記水路形成体、及び前記電子回路部品を収納するための筐体と、を備え、当該電力変換装置は、前記筐体の外壁の所定面が前記エンジンと向き合うように配置され、前記水路形成体は、前記水路形成体の所定面から突出した突出部を有し、かつ当該突出部を介して前記筐体の前記所定面の内壁側に固定され、前記電子回路部品は、前記水路形成体と前記筐体との間であって前記突出部によって形成された空間に配置され、かつ前記水路形成体の前記所定面側に固定される。

本発明に係る電力変換装置は、好ましくは、前記電子回路部品は、前記平滑コンデンサモジュールに蓄えられた電荷を放電するための放電抵抗である。

本発明に係る電力変換装置は、好ましくは、前記パワーモジュールから出力される前記交流電流を伝達し、かつ前記空間を経由するように配線された交流バスバーを備え、前記電子回路部品は、前記交流バスバーに通電する電流値を検出するための電流センサであり、かつ当該電流センサは、前記空間に配置される。

本発明の効果は、高温度環境であっても構造部品の劣化促進を防ぎ、且つ多機能化による大型化を抑えた電力変換装置を提供できる。

本実施形態の電力変換装置が備えられたハイブリッド電気自動車の一実施例を示すシステム図である。本実施形態の電力変換装置が備えられたハイブリッド電気自動車のエンジンルーム部の透視斜視概略図である。本実施形態による電力変換装置の一実施例を示す外観斜視図である。本実施形態による電力変換装置の一実施例を側面側から示した図である。本実施形態による電力変換装置の一実施例の斜視鳥瞰図である。本実施形態による電力変換装置に備えられた、水路形成体を下側から示した外観斜視図である。本実施形態による電力変換装置に備えられた、端子台ボックスを示した外観斜視図である。図３Ｖ−Ｖ線における断面図である。電力変換装置の温度測定配置図である。高温使用環境下における電力変換装置の温度測定結果である。伝熱量と熱抵抗の計算条件詳細と計算結果である。図３Ｃ−Ｃ線における断面図である。図３Ｖ−Ｖ線における断面図である

以下、本発明における電力変換装置の実施例を、図面を参照しながら詳細に説明する。

図１は、本実施形態の電力変換装置が設けられるハイブリッド電気自動車１１０の一実施例を示した回路構成図である。本実施例では、電力系と信号系との区別がしやすいように電力系を実線で、信号系を点線でそれぞれ図示している。

本実施形態の電力変換装置１００は、純粋な電気自動車にも当然適用できる。この場合、基本構成や基本動作は、ハイブリッド電気自動車と純粋な電気自動車との間で共通する部分が多い。このため、以下の説明においては、これらを代表して、ハイブリッド電気自動車１１０の実施例を説明する。

ハイブリッド電気自動車１１０には、電力変換装置１００が備えられている。本実施例における電力変換装置１００のシステムの詳細を以下に説明する。電力変換装置１００は、直流電源の電圧変動を抑える複数の平滑用コンデンサを有するコンデンサモジュール３５と、複数のパワー半導体を内蔵する第１のパワーモジュール１４０と第２のパワーモジュール１４１とオイルポンプ用パワーモジュール１４２、さらに、第１のパワーモジュール１４０と第２のパワーモジュール１４１とオイルポンプ用パワーモジュール１４２のスイッチング動作を制御するスイッチング駆動回路を備えた基板（以下、駆動回路基板１２７と１２８と１２９）、及びスイッチング動作の時間幅を決める信号すなわちパルスワイドモデュレーションの制御を行うＰＷＭ信号を発生する回転電機制御回路を備えた基板（以下、制御回路基板３とオイルポンプ用制御回路基板６）から構成されている。

第１のパワーモジュール１４０は第１の回転電機１９３、第２のパワーモジュール１４１は第２の回転電機１９４、第３のパワーモジュール１４２は第３の回転電機１９２をそれぞれ駆動する。

第１のパワーモジュール１４０と第２のパワーモジュール１４１とオイルポンプ用パワーモジュール１４２を電気的に接続することで、第１のパワーモジュール１４０と第２のパワーモジュール１４１とオイルポンプ用パワーモジュール１４２が有するパワー半導体が電気的に接続されてインバータ主回路が構成される。インバータ主回路を構成するパワー半導体を制御するための信号が制御回路基板３で作られ、駆動回路基板１２７と１２８へ送られる。また、オイルポンプ用制御回路基板６で作られた信号はオイルポンプ駆動回路基板１２９へ送られる。

駆動回路基板１２７と１２８と１２９は、いわゆるパワー半導体のゲート駆動回路であり、各パワー半導体のゲート端子へ供給されるゲート駆動信号を生成する。ゲート駆動信号は、各パワー半導体のゲート端子に送られ、このゲート駆動信号に基づいて、各パワー半導体はスイッチング動作を行う。

また、高圧バッテリ１３６から供給される直流電力は、直流電源の電圧変動を抑える平滑用コンデンサを有する直流コンデンサモジュール１８を介してＤＣ／ＤＣコンバータ装置１３５に供給される。

前輪１１２を備えたハイブリッド電気自動車１１０には、エンジン１１７，第１の回転電機１９３，第２の回転電機１９４及び第１の回転電機１９３と第２の回転電機１９４に高電圧の直流電力を供給する高圧バッテリ１３６が搭載されている。実際には、後輪１１３と後輪車軸１１５、さらには低電圧電力（１４ボルト系電力）を供給する低圧バッテリ１３７が搭載されており、以下に説明する制御回路の電源となる電力を供給する。

また、エンジン１１７及び第１の回転電機１９３と第２の回転電機１９４に基づく回転トルクは、動力伝達機構１１６に伝達される。この回転トルクは、前輪車軸１１４を介して、前輪１１２に伝達される。

変速機１９５を制御する変速機制御装置１３１，エンジン１１７を制御するエンジン制御装置１３３，電力変換装置１００を制御する回転電機制御回路基板３及び高圧バッテリ１３６を制御するバッテリ制御装置１３２は、それぞれローカルエリアネットワーク等の通信回線１３４を介して、総合制御装置１３０に接続されている。

また、総合制御装置１３０は、下位の制御装置である変速機制御装置１３１，エンジン制御装置１３３，電力変換装置１００、または、バッテリ制御装置１３２から、それぞれの状態を表す情報を、通信回線１３４を介して受け取る。これらの情報は、安全性等の観点から車輌を統合制御するのに用いる。

車両の統合制御は、各制御装置の連携動作で達成される制御であり、車両の統合制御を実現するための各制御装置への制御指令が、通信回線１３４を介して総合制御装置１３０からそれぞれの制御装置へ送信される。

例えば、バッテリ制御装置１３２は、高圧バッテリ１３６の放電状況やバッテリを構成する各セル電池の状態を総合制御装置１３０に報告する。また、総合制御装置１３０は、上記報告から高圧バッテリ１３６の充電が必要と判断すると、電力変換装置１００に発電の指示を出す。総合制御装置１３０は、エンジン１１７と第１の回転電機１９３や第２の回転電機１９４の出力トルクを管理し、エンジン１１７と第１の回転電機１９３，第２の回転電機１９４の出力トルクの総合トルク、または、トルク分配比を演算処理より求める。

この処理結果に基づく制御指令は、変速機制御装置１３１，エンジン制御装置１３３、または、電力変換装置１００へ送信される。トルク指令に基づき、電力変換装置１００は、第１の回転電機１９３と第２の回転電機１９４を制御し、いずれか一方の回転電機、または、両方の回転電機で指令のトルク出力を発生するように、これらの回転電機を制御する。

第１の回転電機１９３と第２の回転電機１９４は、電動機または発電機として動作できる構造となっている。そして、例えば第１の回転電機１９３が電動機として動作している場合、第２の回転電機１９４は電動機として、または、発電機として運転することが可能である。

上述のとおり、車輌の運転状態に基づき総合制御装置１３０は、エンジン１１７の出力トルクと回転電機の出力トルクとの分配を、演算によりそれぞれの目標トルクを決定する。そして、第１の回転電機１９３及び第２の回転電機１９４の目標トルクをトルク指令として、通信回線１３４を介して電力変換装置１００に送信する。

電力変換装置１００は、指令に基づき第１の回転電機１９３及び第２の回転電機１９４をそれぞれ電動機として運転するか、または、発電機として運転するか、を演算処理により判断し、第１の回転電機１９３および第２の回転電機１９４を制御する。

また、他の実施形態として、第１の回転電機１９３及び第２の回転電機１９４を電動機として運転するか、または、発電機として運転するかを総合制御装置１３０で演算により決定することもできる。この方法によれば、第１の回転電機１９３、または、第２の回転電機１９４を、モータ運転の場合はその発生するトルクを、また、発電機運転の場合には発電電力を、総合制御装置１３０が決定する。その内容は、指令として通信回線１３４を介して電力変換装置１００に送信される。

いずれの方法でも、電力変換装置１００は、総合制御装置１３０からの指令に基づき、第１の回転電機１９３と第２の回転電機１９４を運転するためにインバータ主回路を構成するパワー半導体のスイッチング動作を制御する。これらパワー半導体のスイッチング動作により、第１の回転電機１９３と第２の回転電機１９４は、電動機として、または、発電機として運転される。

第１の回転電機１９３または第２の回転電機１９４が電動機として運転される場合、高圧バッテリ１３６からの直流電力が電力変換装置１００のインバータ主回路に印加される。インバータ主回路を構成するパワー半導体のスイッチング動作が制御されることにより、直流電力は三相の交流電流に変換される。この交流電流は、Ｕ相交流回路１１８−ａ，Ｖ相交流回路１１９−ａ，Ｗ相交流回路１２０−ａを介して第１の回転電機１９３に、Ｕ相交流回路１１８−ｂ，Ｖ相交流回路１１９−ｂ，Ｗ相交流回路１２０−ｂを介して第２の回転電機１９４に供給される。この結果、第１の回転電機１９３または第２の回転電機１９４は、電動機として回転トルクを発生する。

このような、第１の回転電機１９３または第２の回転電機１９４が電動機として運転され、エンジン１１７が停止している状態では、変速機へ油圧を供給するエンジン１１７と連結された機械式オイルポンプも停止している。エンジン１１７が停止した状態であっても変速機に油圧を供給するために、電力変換装置１００は、総合制御装置１３０からの指令に基づき、オイルポンプ駆動用回転電機１９２を運転するためにインバータ主回路を構成するパワー半導体のスイッチング動作を制御する。オイルポンプ駆動用回転電機１９２が運転される場合、高圧バッテリ１３６からの直流電力が電力変換装置１００のインバータ主回路に印加される。インバータ主回路を構成するパワー半導体のスイッチング動作が制御されることにより、直流電力は三相の交流電流に変換される。この交流電流は、Ｕ相交流回路１１８−ｃ，Ｖ相交流回路１１９−ｃ，Ｗ相交流回路１２０−ｃを介して、オイルポンプ駆動用回転電機１９２に供給され、オイルポンプ駆動用回転電機１９２が駆動して、変速機に油圧を供給することができる。

一方、第１の回転電機１９３または第２の回転電機１９４が発電機として運転される場合、第１の回転電機１９３または第２の回転電機１９４の回転子は、外部からの回転トルクで回転する。この回転トルクに基づき、回転電機の固定子巻線に三相の交流電力が発生する。発生した三相交流電力は、電力変換装置１００で直流電力に変換される。この直流電力は、高圧バッテリ１３６に供給され、高圧バッテリ１３６が充電される。

図１に示されるエンジン１１７と第１の回転電機１９３または第２の回転電機１９４は、回転軸で機械的に直結していても良いし、歯車やクラッチを介して接続される構造であっても良い。エンジン１１７，第１の回転電機１９３、及び、第２の回転電機１９４が直結している場合には、エンジン１１７の回転速度に正比例して、第１の回転電機１９３と第２の回転電機１９４が回転する。このため、第１の回転電機１９３と第２の回転電機１９４は、回転停止状態から高速回転状態まで広範囲に回転速度が変化する。従って、第１の回転電機１９３及び第２の回転電機１９４は、高速回転に耐えられるように、機械的な強度が必要となる。

次に、本実施例における電力変換装置１００の外観斜視図を図３に、側面図を図４に示す。電力変換装置１００は、図３及び図４に示されるように、コンパクトな形状として構成される。

電力変換装置１００は、アルミ等の金属材料で構成されたケース１４を有する。ケース１４は、アルミニウム等の金属材料で構成され、略方形状の筐体からなり、上面部は開口している。上部の開口部は最終的にカバー１によって閉塞される。また、電力変換装置内に冷却水を導入するための冷却水入口管１５及び冷却水を排出するための冷却水出口管１６が設けられている。さらに、ケース１４の側面は開口しており、電源入出力用の端子を固定するための端子台ボックス８が配置される。

なお、ケース１４とカバー１及び端子台ボックス８の結合部には、ガスケットやＯリング等の気密保持部品を配置して防水性・気密性を確保している。それぞれの開口部及び冷却水管は電力変換装置１００の車輌への配置状態によって、上面部や底面部でも良い。

端子台ボックス８の構成を図７に示す。端子台ボックス８は、アルミニウム等の金属材料で構成された、略方形状の筐体の端子台ケース２１と開口部を閉塞するための端子台カバー２０とに被われている。端子台ケース２１の内部には、直流電源の電圧変動を抑える複数の平滑用コンデンサを有するコンデンサモジュール１８が配置される。

また、電力変換装置１００で直流電流から変換された三相の交流電流を検知して制御するための電流センサ１９が配置され、さらには、電流センサ１９に隣接して、電力変換装置１００から出力される三相の交流電流の回路を形成する交流バスバーと、図１に示されるような、高圧バッテリ１３６，第１の回転電機１９３，第２の回転電機１９４の車輌側からの端子をそれぞれ固定して接続するための端子台３８が配置される。

端子台ケース２１と端子台カバー２０と電力変換装置本体との結合部には、ガスケットやＯリング等の気密保持部品を配置して防水性・気密性を確保している。

図５は、電力変換装置１００を分解し、鳥瞰図として図示している。ケース１４の内部には冷却水路を備えた水路形成体９が配置される。ケース１４及び水路形成体９の前面には、水路形成体９へ冷却水を導入するための冷却水入口管１５及び水路形成体９から冷却水を排出するための冷却水出口管１６が設けられている。

また、水路形成体９の背面には、オイルポンプ用パワーモジュール１４２がオイルポンプ用パワーモジュール１４２に組み込まれた金属製のベースを介して、水路形成体９の冷却水路に接触した状態で配置される。

同じように、制御回路基板３，オイルポンプ用制御回路基板６を搭載したベース５は、水路形成体９の背面の冷却水路に接触した状態で配置される。また、モータのスイッチングノイズを遮へいするために、絶縁物を介在させるか導体材質の構造部品に対し、十分な絶縁距離を確保して配置された電磁波の遮へい板２，１０，１１，１７をケース１４の内部に配置している。

この遮へい板２は止め具を兼ねており、高圧直流コネクタ１２やオイルポンプ制御コネクタ１３のような各配線類をバンドやクリップを使用して結束及び固定している。

次に、本実施例における冷却構造を図６，図８から説明する。前述したとおり、本実施例において、電力変換装置１００は、構成部品（特に耐熱性が低く、冷却を要する電子部品）を冷却するための水路形成体９を有している。

ケース１４の内部に配置される水路形成体９の構成を図６に示す。ベースとなる水路ケース２３にはケース１４にねじ等により支持するための固定脚３３が設けられている。固定脚３３は、水路形成体９の所定面から突出して、突出部を形成する。固定脚３３は、水路筐体と付属する構成部品を支持できる機械的強度を必要とし、さらに外部からの伝熱を最小限に抑制するために、ケース１４と固定脚３３との接触面積はできるだけ小さい方がよい。

また、水路ケース２３の底面には空隙３４が設けられており、抵抗器２４，抵抗器２５，電力変換装置の回路に断線等が生じた際に通電を停止して漏電を防止する機能を持つ高電圧リーク検出基板２６，パワーモジュールと回転電機とを接続する出力Ｕ相交流バスバー２７と３０，Ｖ相交流バスバー２８と３１，Ｗ相交流バスバー２９と３２が配置され、水路形成体９を形成している。

図３のＶ−Ｖ線における断面図を図８に示し、水路形成体９のさらなる詳細を説明する。前述したとおり、水路形成体９は固定脚３３によって支持され、電力変換装置１００のケース１４の内部に配置される。なお、水路形成体９の電力変換装置１００への支持は、構成部品の配置状態や電力変換装置１００の形状によってはカバー１のような外殻を形成する構成部品であっても良い。

ベースとなる水路ケース２３の周囲には、コンデンサモジュール３５，配置抵抗器２４，抵抗器２５，高電圧リーク検出基板２６，第１のパワーモジュール１４０及び第２のパワーモジュール１４１と、両パワーモジュールから出力された交流電流を回転電機に供給するための回路である、Ｕ相交流バスバー２７と３０，Ｖ相交流バスバー２８と３１，Ｗ相交流バスバー２９と３２が配置され、各種バスバーは、端子台ボックス８内の電流センサ１９を介して、端子台３８に固定される。

水路ケース２３には開口部が設けられている。この開口部は、第１のパワーモジュール１４０と第２のパワーモジュール１４１の一部を構成する金属ベース３９が、ねじ等を用いて水路ケース２３に固定され、閉塞されることにより、冷却水を流すことのできる水路２２となる。

冷却水は、複数のパワー半導体素子を有する第１のパワーモジュール１４０と第２のパワーモジュール１４１とその他の冷却を要する構成部品が発する熱を冷却するために、図５に示されるような冷却水入口配管１５から導入され、冷却水出口配管１６から排出される。

ところで、金属ベース３９には、冷却効率を向上させるために冷却フィン３６が形成されている。冷却フィン３６の主な構成としては、直線状の凸部が複数本平行に配列したストレートフィンや、ピン状のフィンが多数配列したピンフィン等が用いられる。

さらに、冷却効率を向上させるための手段として、電力変換装置１００のケース１４と水路形成体９の水路２２及び第１のパワーモジュール１４０と第２のパワーモジュール１４１との間に空隙３４を設けている。

水路２２と第１のパワーモジュール１４０と第２のパワーモジュール１４１の間に空隙も設けることの効果については、後述することとする。

次に、電力変換装置１００の使用環境及び車輌搭載時の配置を、図２の車輌エンジンルーム部の透視斜視概略図に示す。本実施例では、電力変換装置１００は車輌１１１のエンジンルーム内の、エンジン１１７の直上に配置される。また、エンジンルーム内には、電力変換装置１００，エンジン１１７，冷却水用ポンプ１９０，ラジエータ１９１，冷却水配管１９８，発電機１９９等の、また、車輌には前輪１１２，前輪車軸１１４，動力伝達機構１１６，変速機１９５等の、車輌を駆動させるための機構が配置されている。当然、車輌１１１には、これらの機構の他にも複数の車輌を駆動させるための機構が配置されているが、ここでは図示を省略する。

エンジンルーム内は車輌を駆動させるための機構、特にエンジン１１７の駆動により発せられる放射熱により、特に車外の外気温が高く、連続走行時やエンジン停止直後の環境下においては、エンジンルーム内の温度も高温となる。エンジン１１７の直上に配置された電力変換装置１００はエンジン１１７から発せられる放射熱の影響を強く受け、電力変換装置１００の雰囲気温度は放射熱と同等の高温環境となる。

特にこのような使用環境下においては、高温環境下での使用に制限のある電子部品や、パワーモジュールのような自身が動作することで発熱し、高温となる電子部品を効率よく冷却するために、より高い冷却性能を持った電力変換装置の提供が必要となる。

高い冷却性能を確保する方法として、外部から冷却水のような冷却媒体の供給を受けることが挙げられるが、本実施例では、前述した通り、冷却水が流れる水路を有する水路形成体を設け、冷却を要する電子部品を冷却水に接触させた状態で配置することで、自身が発する熱及びエンジンの駆動時や停止直後に発せられる放射熱を吸熱し、電子部品を冷却することで各機能を確保している。また、電子部品や耐熱温度の低い樹脂部品のような高温を避けて使用することが好ましい構造部品についても、冷却水に接触させることで効率的な冷却機能を確保している。この場合、冷却水に直接構造部品を接触させて配置するか、伝熱導率の高い金属（銅やアルミ）のベースや冷却ゲルのような冷却媒体を介しして間接的に冷却水と構造部品を接触させて配置することが好ましい。

しかしながら、電力変換装置１００がエンジン１１７の直上に配置され、エンジン１１７からの放射熱の影響を強く受けて、電力変換装置１００が高温となるような使用環境下においては、電力変換装置１００に供給された冷却水も放射熱の影響を受け、電力変換装置１００の雰囲気温度と同等の高温となり、冷却性能が低下することになるが、この時、パワーモジュールを始めとする耐熱温度が低い構成部品の機能低下や劣化を早める可能性がある。

この問題を解決するために本実施例では、図８に示すような、電力変換装置１００のケース１４と水路形成体９の水路２２及び第１のパワーモジュール１４０と第２のパワーモジュール１４１との間に空隙３４を設けることで周囲温度の高温からの影響を遮断し、低い温度の冷却水を水路内に循環させることで高い冷却性能を維持し、電力変換装置の機能を確保することができる。

ケース１４と水路２２及び第１のパワーモジュール１４０と第２のパワーモジュール１４１との間に空隙を設ける本実施例の効果の詳細について、以下の計算による解析と高温使用環境下における電力変換装置の温度測定結果から説明する。本実施例ではエンジンルーム内の温度は１１０℃前後、冷却水の供給時温度は７５℃であると仮定して説明する。

ここでは、外殻と水に空隙を介在させた筐体と、外殻と水が直接接触した筐体の外殻側に熱を与えた時の水に伝わる伝熱量と熱抵抗を導き出し、その差異から空隙を設けることによる断熱の効果について図１１を参考にしながら説明する。

伝熱量（Ｑ）と熱抵抗（Ｒ）の計算条件詳細と計算結果１２３，１２４，１２５に、各条件の直方体の形状例を１２６に示す。また、伝熱量（Ｑ）と熱抵抗（Ｒ）の計算式をそれぞれ式（１）及び式（２）に示す。

Ａ：幅（ｍ）、Ｂ：奥行（ｍ）、ｉ：複合壁要素（ｉ＝１〜ｎ）、ｋ_i：ｉ要素の熱伝導率（Ｗ／ｍ℃）、Ｌ_i：ｉ要素の長さ（ｍ）、ｎ：複合壁の個数（最大５）、Ｑ：伝熱量（Ｗ）、Ｔ₁：左面温度（℃）、Ｔ_n+1：右面温度（℃）、Ｒ：熱抵抗（℃／Ｗ）

条件１１２３：Ｌ１＝長さ３mmのアルミ材の外殻と、Ｌ２＝長さ幅３０mmの空気と、Ｌ３＝長さ２mmの水路形成体と、Ｌ４＝長さ５０mmの水とが接触した直方体。幅Ａ及び奥行きＢは１０mmとする。

条件２１２４：Ｌ１＝長さ３mmのアルミ材の外殻と、Ｌ２＝長さ５mmの空気と、Ｌ３＝長さ２mmの水路形成体と、Ｌ４＝長さ５０mmの水とが接触した直方体。幅Ａ及び奥行きＢは１０mmとする。

条件３１２５：Ｌ１＝長さ３mmのアルミ材の外殻と、Ｌ４＝長さ５０mmの水とが接触した直方体。幅Ａ及び奥行きＢは１０mmとする。

水の温度はそれぞれＴ２＝７５℃，外殻温度Ｔ１＝１１０℃とする。幅Ａ及び奥行きＢは１０mmとする。

それぞれの条件の数値を伝熱量（Ｑ）の計算式と熱抵抗（Ｒ）の計算式に当てはめて条件１〜３を比較したとき、条件１１２３の結果に対する条件２１２４の伝熱量（Ｗ）と熱抵抗（℃／Ｗ）の比率はそれぞれ約２１.４倍と５.７倍であり、条件３１２５の伝熱量（Ｗ）と熱抵抗（℃／Ｗ）の比率はそれぞれ約４６７倍と約１７６３倍である。

このことから鑑みて、外殻と水に空隙を介在させることの断熱効果は高く、また空隙の幅が大きいほど断熱効果は増すことが言える。

さらに、高温使用環境下における電力変換装置の温度測定結果から説明する。

温度測定条件について、図９を参照にしながら説明する。水路形成体９の水路２２に７５℃（投入時温度）の冷却水を、一定の流量で循環させ、さらに、第１のパワーモジュール１４０と第２パワーモジュール１４１にそれぞれ１３０Ａの電流を印加した電力変換装置１００を、環境温度１１０℃の恒温槽１５０に投入し、槽内温度が完全に飽和するまで放置する。その時、電力変換装置１００の各部品に取り付けられた各種熱電対（熱電対（水路入口側）１４３，熱電対（水路形成体底面）１４４，熱電対（ケース底面）１４５，熱電対（水路出口側）１４６，熱電対（パワーモジュール）１４７・１４８）からパワーモジュール，ケース，水路，水路形成体底面の温度を測定し、測定結果は温度測定機器１４９にモニタされる。

外殻と冷却水路に空隙を設けることによる、本実施例の効果を、高温使用環境下における電力変換装置の温度測定結果図１０から説明する。上記の環境温度条件におけるケース底面の温度は１０３℃であり、環境温度１１０℃からの影響による温度上昇の傾向が見られる。一方、ケース底面から２９mmの空隙を設け配置された水路形成体の底面の温度は９８℃であり、ケース底面温度に対する冷却形成体の温度は−５℃と環境温度からの影響による温度上昇は、空隙の効果により抑制されている。

また、ケース底面に対し空隙が設けられている水路入口側の冷却水の温度は７７℃、出口側の冷却水の温度は８１℃であり、恒温槽１５０の内飽和温度１１０℃からの影響は無い。さらに、動作することにより自ら発熱し、最大温度１２５℃に達するパワーモジュール温度は発熱体部においても１０８℃に抑制されており、冷却水による冷却効果が十分に確保されている。

以上のことから、外気温の高温の影響を受け、高温となる外殻と、水路形成体との間に一定の空隙（少なくとも高温となる外殻と冷却水路とが接触しておらず、空気の層が介在していること）を設けることは、冷却水及び冷却形成体が高温となることを抑制し、優れた冷却性能を確保するために有効な手段である。

その空隙は可能な限り大きくすることが好ましいが、小型・低背化された電力変換装置を提供するため、空隙に構成部品を配置することを鑑みて、空隙は少なくとも２５mmとすることが好ましい。また、高温となる外殻と向き合う位置に配置される空隙は、外殻と同様の高温環境となるため、これらの構成部品は特に耐熱性の優れた部品を配置することが望ましい。

本実施例では、前述したとおり、図８に示すような、ケース１４と水路２２及び第１のパワーモジュール１４０と第２のパワーモジュール１４１の間に設けられた空隙３４に、主に耐熱性の優れた電子部品を配置している。

電子部品の具体的な耐熱温度は、電流センサ１９，抵抗器２４，抵抗器２５の耐熱温度は１２５℃、高電圧リーク検出基板２６の耐熱温度は１１０℃であることから、耐熱性の優れた部品が配置されていることが言える。

なお、図１３に示すとおり、空隙溝３４には上記構成部品の代わりに端子台ボックス８内に配置されている電流センサ１９を配置しても良い。この場合、端子台ボックス８内の端子台３８と隣接していなくても良い。

このように、空隙３４を利用し耐熱性の優れた部品を配置することで、電力変換装置の低背，小型化することが可能である。

さらには、図１２に示すとおり、空隙３４が設けられた水路形成体９の背面には、オイルポンプ用パワーモジュール１４２，制御回路基板３，オイルポンプ用制御回路基板６が金属製のベース５を介して水路形成体９に設けられた水路に接触した状態で配置される。これらの構成部品は、冷却水入口管１５から導入され、冷却水出口管１６より排出される冷却水により冷却される。

以上のとおり、上記実施例によれば、高温環境での使用においても冷却性能を損なわない電力変換装置を提供することができ、さらには、一つの冷却水路で効率的に電力変換装置内の構成部品全体を冷却することが可能である。これにより、小型な電力変換装置を提供することができる。

以上、本発明の一実施例を詳細に説明したが、本発明は上述の実施例に限定されるものではなく、技術思想の範囲内で適宜変更可能である。例えば、上記実施例では、パワーモジュールを冷却することを目的とし、水路に接触させた構造としているが、他部品を冷却するために水路に接触させても良い。

また、空隙を配置する位置について、外部からの温度影響を受けるケースと水路及びパワーモジュールとの間としているが、ケースに限らず、その他のカバーのような外殻を形成する部品や、内部の部品において自らが発熱して高温となり、周囲部品に影響を与えるような箇所に配置しても良い。

さらには、冷却性能確保のためには、空隙のみに限らず、空隙部に冷却ゲルや放熱シート等の冷却媒体を配置しても良い。

１カバー
２，１０，１１，１７電磁波遮へい板
３制御回路基板
５ベース
６オイルポンプ用制御回路基板
８端子台ボックス
９水路形成体、
１２高圧直流コネクタ
１３オイルポンプ制御コネクタ
１４ケース
１５冷却水入口配管
１６冷却水出口配管
１８直流コンデンサモジュール
１９電流センサ
２０端子台カバー
２１端子台ケース
２２水路
２３水路ケース
２４，２５抵抗器
２６高電圧リーク検出基板
２７，３０Ｕ相交流バスバー
２８，３２Ｗ相交流バスバー
２９，３１Ｖ相交流バスバー
３３固定脚
３４空隙
３５コンデンサモジュール
３６冷却フィン
３８端子台
３９金属ベース
１００電力変換装置
１１０ハイブリッド電気自動車
１１１車輌
１１２前輪
１１３後輪
１１４前輪車軸
１１５後輪車軸
１１６動力伝達機構
１１７エンジン
１２３伝熱量と熱抵抗の計算結果１
１２４伝熱量と熱抵抗の計算結果２
１２５伝熱量と熱抵抗の計算結果３
１２６伝熱量と熱抵抗計算の構成図
１２７，１２８駆動回路基板
１２９オイルポンプ駆動回路基板
１３０総合制御装置
１３１変速機制御装置
１３２バッテリ制御装置
１３３エンジン制御装置
１３４通信回線
１３５ＤＣ／ＤＣコンバータ装置
１３６高圧バッテリ
１３７低圧バッテリ
１４０第１のパワーモジュール
１４１第２のパワーモジュール
１４２オイルポンプ用パワーモジュール
１４３熱電対（水路入口側）
１４４熱電対（水路形成体底面）
１４５熱電対（ケース底面）
１４６熱電対（水路出口側）
１４７，１４８熱電対（パワーモジュール）
１４９温度測定機器
１５０恒温槽
１９０冷却水用ポンプ
１９１ラジエータ
１９２オイルポンプ駆動用回転電機
１９３第１の回転電機
１９４第２の回転電機
１９５変速機
１９８冷却水配管
１９９発電機

Claims

エンジンの駆動力及びモータの駆動力によって駆動するハイブリッド自動車に用いられる電力変換装置であって、
冷却媒体を流すための水路を形成した水路形成体と、
直流電流を交流電流に変換するためのパワー半導体素子を有し、かつ前記水路形成体に固定されたパワーモジュールと、
前記直流電流を平滑化するための平滑コンデンサモジュールと、
前記パワー半導体素子の耐熱温度よりも大きい耐熱温度である電子回路部品と、
前記パワーモジュール、前記平滑コンデンサモジュール、前記水路形成体、及び前記電子回路部品を収納するための筐体と、を備え、
当該電力変換装置は、前記筐体の外壁の所定面が前記エンジンと向き合うように配置され、
前記水路形成体は、前記水路形成体の所定面から突出した突出部を有し、かつ当該突出部を介して前記筐体の前記所定面の内壁側に固定され、
前記電子回路部品は、前記水路形成体と前記筐体との間であって前記突出部によって形成された空間に配置され、かつ前記水路形成体の前記所定面側に固定される電力変換装置。
請求項１に記載された電力変換装置であって、
前記電子回路部品は、前記平滑コンデンサモジュールに蓄えられた電荷を放電するための放電抵抗である電力変換装置。
請求項１に記載された電力変換装置であって、
前記パワーモジュールから出力される前記交流電流を伝達し、かつ前記空間を経由するように配線された交流バスバーを備え、
前記電子回路部品は、前記交流バスバーに通電する電流値を検出するための電流センサであり、かつ当該電流センサは、前記空間に配置される電力変換装置。