JP5686145B2 - 電気自動車用の電力変換装置 - Google Patents

Description

本発明は、電気自動車用の電力変換装置に関する。電力変換装置は、バッテリの直流出力を交流に変換して走行用のモータに供給するデバイスである。本明細書における「電気自動車」には、モータとエンジンの双方を備えるハイブリッド車や、燃料電池車を含む。

電気自動車は、バッテリの直流電力をモータ駆動に適した周波数の交流に変換する電力変換装置を備える。電力変換装置は、直流を交流に変換するインバータ回路だけでなく、バッテリの出力電圧を降圧あるいは昇圧するコンバータ回路を備えることもある。

電力変換装置は、バッテリが出力する電流を平滑化するコンデンサを備えることが多い。そのようなコンデンサは、インバータ回路の入力端、電圧コンバータ回路の入力端あるいは出力端に、並列に接続される。バッテリの出力電流は大きいため、コンデンサには大容量のものが採用される。コンデンサはバッテリからモータまでの電流経路に接続されているため、モータを駆動しているときにはコンデンサに相当量の電力が蓄積される。それゆえ、例えば車両が衝突したときなどの非常事態にはコンデンサを速やかに放電する放電回路を備えることが好ましい。特許文献１、２には、バッテリの直流電力を平滑化するコンデンサと、そのコンデンサを放電する放電抵抗を備えた電力変換装置が例示されている。以下では、特に断らない限り、「コンデンサ」は、バッテリの出力電流を平滑化する大容量のコンデンサを意味する。

コンデンサを急速に放電する放電抵抗は発熱量が大きいため、その熱管理が重要である。特許文献１、２では、コンデンサと放電抵抗を、冷媒流路の両側に配置し、放電抵抗を冷却することが提案されている。

特開２０１２−１３９０１４号公報 特開２０１２−１５２１０４号公報

放電抵抗は状況に応じてコンデンサと接続される必要があるため、放電抵抗をコンデンサに接続したり切断したりする制御回路が必要である。制御回路を実装した基板（制御基板）はできるだけ発熱源である放電抵抗から離して配置するのが好ましい。一方、放電抵抗と制御基板の間の距離を長くすると、両者を電気的に接続するケーブルを長くする必要があり、相応のスペースとケーブル配索の工夫を必要とする。本明細書は、コンデンサを放電するための放電抵抗と、放電抵抗を制御する制御基板の間の距離を確保することと、両者を省スペースで電気的に接続することの両立を図る技術を提供する。

電流平滑化用のコンデンサには、コンデンサに蓄積された電荷を長時間にわたって徐々に放出する（放電する）抵抗値の大きい抵抗が並列に接続されることがある。そのような抵抗と前述の急速放電用の抵抗を区別するため、長時間にわたってコンデンサを放電する抵抗を第１放電抵抗と称し、急速放電用の抵抗を第２放電抵抗と称する。第１放電抵抗は基板に実装されてコンデンサの付近に配置される。本明細書が開示する技術は、第１放電抵抗を実装する基板を、第２放電抵抗（急速放電用の抵抗）と制御基板（第２放電抵抗の制御回路を実装した基板）との電気的な接続の中継器として用いる。そうすることで、第２放電抵抗と制御基板を離して配置するとともに、少ないスペースで両者を電気的に接続することができる。

なお、第１放電抵抗と第２放電抵抗を別の観点で比較すると、第１放電抵抗は第２放電抵抗よりも抵抗値が大きい。あるいは、第２放電抵抗は第１放電抵抗よりも単位時間当たりの電力消費量（発熱による消費量）が大きい。また、第２放電抵抗は第１放電抵抗よりも単位時間単位電流当たりの発熱量が大きい。

本明細書が開示する電力変換装置の一態様は、次の通りである。その電力変換装置は、バッテリの直流電力を交流に変換してモータに供給する電気自動車用のデバイスである。電力変換装置は、バッテリの電流を平滑化するコンデンサと、コンデンサを放電するための第１及び第２放電抵抗と、第１基板と、第２基板を備える。第１放電抵抗は、車両のイグニッションスイッチがＯＦＦされたときなどに、コンデンサを徐々に放電するためのデバイスである。第２放電抵抗は、車両衝突時などにコンデンサを急速に放電するためのデバイスである。第２放電抵抗は、コンデンサに蓄えられた電気エネルギを熱エネルギに変換して放出する。従って、第２放電抵抗の単位時間単位電流当たりの発熱量は第１放電抵抗のそれよりも大きい。このことは、別言すれば、前述したとおり、第１放電抵抗は第２放電抵抗よりも抵抗値が大きいことを意味する。

第１基板は、第１放電抵抗を実装している基板であり、コンデンサのケースに取り付けられている。第２基板には、第２放電抵抗を制御する回路が実装されている。そして、第２放電抵抗と第２基板の間にコンデンサのケースが配置されており、第２基板と第２放電抵抗を電気的に接続する導電経路が第１基板を経由している。別言すれば、第２放電抵抗から伸びる抵抗側ケーブル（あるいは金属端子）と、第２基板から伸びる基板側ケーブル（あるいは金属端子）がともに第１基板に接続しており、抵抗側ケーブルと基板側ケーブルが、第１基板内で電気的に接続されている。

上記の構造は、第２放電抵抗とそれを制御する第２基板をコンデンサのケースを挟んで配置して距離を確保するとともに、両者の電気的接続を、ケースに取り付けられた第１基板を経由して確保する。すなわち、コンデンサを急速に放電する第２放電抵抗とそれを制御する基板の距離を確保しつつ、それらを少ないスペースで電気的に接続することができる。

コンデンサと第１基板と第２放電抵抗と第２基板の物理的なレイアウトは次のとおりである。コンデンサのケースは略直方体である。第２放電抵抗と第２基板は、コンデンサのケースの平行な２面の夫々に対向して配置される。そして、第１基板は、上記の２面と交差する第３の面に取り付けられる。略直方体のコンデンサケースの３つの側面の夫々に第１基板（第１放電抵抗が実装されている）、第２基板、及び、第２放電抵抗を配置することによって、コンデンサとその放電に関わるデバイス群を、コンデンサを中心にコンパクトにまとめることができる。ゆえに、コンデンサとその放電に関わるデバイス群のスペース効率が向上する。

なお、第１放電抵抗と第２放電抵抗はともにコンデンサに並列に接続されており、第２基板上の制御回路は、第２放電抵抗をコンデンサと接続したり切断したりする回路である。本明細書が開示する技術の詳細とさらなる改良は以下の「発明を実施するための形態」にて説明する。

実施例の電力変換装置の回路図である。 コンデンサと放電抵抗のレイアウトを示す斜視図である。 コンデンサと放電抵抗のレイアウトを示す側面図である。

図面を参照して電力変換装置を説明する。まず、電力変換装置を含む電気自動車１００の電気系を説明する。図１は、電気自動車１００の回路図である。電気自動車１００は、メインバッテリ２を電源とし、その電力でモータ７を駆動して走行する。なお、図１は、本明細書の説明に要する部品だけを描いてあり、説明に関係のない一部の部品は図示を省略していることに留意されたい。

メインバッテリ２は、システムメインリレー３を介して電力変換装置５に接続される。システムメインリレー３は、メインバッテリ２と車両の電気システムを接続したり切断したりするスイッチである。システムメインリレー３は、コントローラ８によって切り換えられる。通常は、コントローラ８は、車両のメインスイッチ（通常、イグニッションスイッチと呼ばれている）がオンに切り換えられるとシステムメインリレー３を閉じ、メインバッテリ２を車両の電気システムに接続する。逆に、コントローラ８は、車両のメインスイッチがオフに切り換えられるとシステムメインリレー３を開放し、メインバッテリ２を車両の電気システムから切り離す。また、コントローラ８は、車両のメインスイッチからの信号とは別に、他のデバイスやコントローラからの指令により、システムメインリレー３を開閉することもある。その典型的な例は、車両が衝突したことを示す信号をコントローラ８が受信したときである。車両が衝突したことを示す信号の一例は、エアバッグシステムが備える加速度センサ９の計測値に基づく信号であり、所定の閾値を超える加速度を検知したことを示す信号である。

メインバッテリ２の出力電圧は例えば３００ボルトである。電力変換装置５は、メインバッテリ２の電圧をモータ駆動に適した電圧（例えば６００ボルト）まで昇圧する電圧コンバータ回路４と、昇圧後の直流電力を交流に変換するインバータ回路６を含む。インバータ回路６の出力が、モータ７への供給電力に相当する。電圧コンバータ回路４とインバータ回路６はともにＩＧＢＴなどのスイッチング素子を主とする回路であり、スイッチング素子の駆動信号（ＰＷＭ信号）は、コントローラ８が生成し、供給する。

電圧コンバータ回路４は、メインバッテリ２の出力電圧を昇圧してインバータ回路６へ供給する。電圧コンバータ回路４は、リアクトル１３と、２個のスイッチング素子１４（例えばＩＧＢＴ）と、２個の還流ダイオード１５により、図１に示す回路を構成している。インバータ回路６は、スイッチング素子１７（ＩＧＢＴなど）と還流ダイオード１８の逆並列接続で構成される回路を６組有しており、コントローラ８がそれぞれのスイッチング素子１７に適宜のＰＷＭ信号を供給すると、入力された直流電力を交流電力に変換して出力する。その交流電力によってモータ７が駆動する。電圧コンバータ回路４とインバータ回路６の構成は良く知られているので詳しい説明は省略する。

電力変換装置５は、メインバッテリ２の出力電流を平滑化する２個のコンデンサ１２、２１を備えている。コンデンサ１２は、電圧コンバータ回路４の入力端に並列に接続されており、コンデンサ２１は、電圧コンバータ回路４の出力端に並列に接続されている。コンデンサ１２は、電圧コンバータ回路４に入力される電流を平滑化するコンデンサであり、フィルタコンデンサと呼ばれる場合がある。コンデンサ２１は、電圧コンバータ回路４の出力電流を平滑化するコンデンサであり、平滑化コンデンサと呼ばれる場合がある。コンデンサ１２、２１は、メインバッテリ２が供給する電流の脈動を抑制する（平滑化する）目的で備えられているものであり、大容量である。なお、図１中の符号Ｐは、モータ７を駆動する電力が流れる電力線のうち、高電位側の電力線を示しており、符号Ｎは低電位側の電力線を示している。これらの電力線は、大電流が流れるため、物理的には、バスバと呼ばれる金属板状の部材で構成される。

コンデンサ２１には第１放電抵抗２２と第２放電抵抗１６が並列に接続されている。第１放電抵抗２２は、抵抗値が大きく、車両のイグニッションスイッチがＯＦＦされた後にコンデンサ２１に蓄えられた電荷を徐々に放電するために備えられている。第１放電抵抗２２は、常時コンデンサ２１に接続されている。

第２放電抵抗１６は、スイッチトランジスタ３１を介してコンデンサ２１と並列に接続されている。第２放電抵抗１６は、第１放電抵抗２２よりも単位時間単位電流当たりの発熱量が大きく、コンデンサ２１に接続されるとコンデンサ２１を速やかに放電することができる。例えば、コンデンサ２１が満充電の場合、第２放電抵抗は数秒でコンデンサ２１を完全に放電することができる。

第２放電抵抗１６は、車両が衝突したときにスイッチトランジスタ３１によりコンデンサ２１と接続される。詳しくは、コントローラ８が加速度センサ９から衝突を示す信号を受信すると、制御回路３２に信号を送り、制御回路３２がスイッチトランジスタ３１をＯＦＦからＯＮに切り換える。

なお、第２放電抵抗１６をコンデンサ２１に接続すると、コンデンサ１２もダイオード１５を通じて第２放電抵抗１６に接続されるので、コンデンサ２１と同時にコンデンサ１２も放電される。

図１の符号２０が示す破線は、第１基板を示しており、符号３０が示す破線は第２基板を示している。第２基板３０は、スイッチトランジスタ３１と、スイッチトランジスタ３１を制御する制御回路３２を実装している。スイッチトランジスタ３１と制御回路３２は、別言すれば、第２放電抵抗１６を制御する回路に相当する。第２基板３０は、第２放電抵抗１６を制御する回路を実装した基板である。

第１基板２０は、第１放電抵抗２２を実装しているとともに、第２放電抵抗１６と第２基板３０を電気的に接続する導電路２３を実装している。導電路２３は、長細の金属板であり、電気抵抗が通常のワイヤケーブルよりも小さい。次に、第１基板２０、第２基板３０、及び、第２放電抵抗１６と、コンデンサ２１の物理的なレイアウトについて説明する。

図２に、コンデンサ２１と放電抵抗等のレイアウトを示す斜視図を示し、図３にその側面図を示す。図２、図３において、第１基板２０を表す直方体の中に第１放電抵抗２２と導電路２３を破線で描き、それらが第１基板２０に実装されていることを模式的に表している。なお、図２、図３に示すデバイス群は、電力変換装置５の筐体に収容される。電力変換装置５の筐体には、その他、電圧コンバータ回路４を構成する部品や、インバータ回路６を構成する部品、及び、コントローラ８を構成する回路などが収容されるが、それらの図示は省略する。また、電力変換装置の筐体自体の図示も省略する。

コンデンサ２１は、略直方体のケース２５に収容されている。その上面２５ａに対向するように第２基板３０が配置され、下面２５ｂに対向するように第２放電抵抗１６が配置される。別言すれば、第２基板３０と第２放電抵抗１６は、コンデンサ２１のケース２５の平行な２面の夫々に対向して配置されている。

第１基板２０は、ケース２５の側面２５ｃに取り付けられる。即ち、第１基板２０は、第２基板３０と第２放電抵抗１６が対向している２面（上面２５ａと下面２５ｂ）と直交する面（側面２５ｃ）に取り付けられている。

そして、第１基板２０からは２本の接続ピン３４が上方へ伸びており、その接続ピン３４が第２基板３０と接続している。また、第１基板２０から２本の電気ケーブル３５が下方へ伸びている。一方の電気ケーブル３５ａは、第２放電抵抗１６に接続している。一方の接続ピン３４ａと一方の電気ケーブル３５ａは、第１基板２０の内部にて、導電路２３により、電気的に接続している。即ち、第２基板３０と第２放電抵抗１６を電気的に接続する導電経路２３が第１基板２０を経由している。さらに別言すれば、上記のレイアウトでは、第１放電抵抗２２を実装する基板（第１基板２０）を、第２放電抵抗１６と第２基板３０を電気的に接続するためのケーブルの中継器として活用する。

他方の接続ピン３４ｂは、第１基板２０の内部にて第１放電抵抗２２の一端と接続している。他方の電気ケーブル３５ｂは、第１放電抵抗２２の他端と正極バスバ４１を接続する。なお、正極バスバ４１は、図１における高電位側の電力線Ｐの一部を構成する。第２放電抵抗１６から伸びる電気ケーブル３６も、正極バスバ４１に接続している。

上記したレイアウトの利点を説明する。第２放電抵抗１６は、コンデンサ２１を急速に放電する際に多くの熱を放出する。即ち発熱量が大きい。一方、第２放電抵抗１６の制御回路を実装した第２基板３０には多くの電子部品が実装されており、第２放電抵抗１６に近いとその熱の影響を受ける虞がある。上記のレイアウトでは、第２放電抵抗１６と第２基板３０を、間にコンデンサ２１を挟んで配置するので、第２放電抵抗１６の熱が第２基板３０に与える影響を低減できる。また、第２放電抵抗１６と第２基板３０は、第１基板２０を経由して電気的に接続されている。第１基板３０を経由して第２放電抵抗１６と第２基板３０を電気的に接続することで配線の省スペース化が図られる。

また、第１基板２０、第２基板３０、及び、第２放電抵抗１６は、コンデンサ２１（コンデンサケース２５）の３面の夫々に対向するように配置される。このレイアウトは、第１基板２０、第２基板３０、第２放電抵抗１６、及び、コンデンサ２１のスペース効率を向上させる。

以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。

２：メインバッテリ
３：システムメインリレー
４：電圧コンバータ回路
５：電力変換装置
６：インバータ回路
７：モータ
８：コントローラ
９：加速度センサ
１２、２１：コンデンサ
１３：リアクトル
１４、１７：スイッチング素子
１５、１８：還流ダイオード
１６：第２放電抵抗
２０：第１基板
２２：第１放電抵抗
２３：導電路
２５：コンデンサケース
３０：第２基板
３１：スイッチトランジスタ
３２：制御回路
３４：接続ピン
３５、３６：電気ケーブル
１００：電気自動車

Claims (3)

1. バッテリの直流電力を交流に変換してモータに供給する電気自動車用の電力変換装置であり、
   バッテリの電流を平滑化するコンデンサと、
   コンデンサを放電する第１放電抵抗と、
   コンデンサのケースに取り付けられる第１基板と、
   コンデンサを放電する第２放電抵抗であって第１放電抵抗よりも単位時間単位電流当たりの発熱量が大きい第２放電抵抗と、
   第２放電抵抗を制御する回路が実装された第２基板と、
   を備えており、
   第２放電抵抗と第２基板の間にコンデンサのケースが配置されており、
   第２基板と第２放電抵抗を電気的に接続する導電経路が第１基板を経由していることを特徴とする電力変換装置。
2. 第１放電抵抗が第１基板に実装されていることを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
3. コンデンサのケースは略直方体であり、
   第２放電抵抗と第２基板がコンデンサのケースの平行な２面の夫々に対向して配置されており、
   第１基板は、前記２面と交差する第３の面に取り付けられてい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。

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