JP5718873B2 - 電気自動車用の電力変換装置 - Google Patents

Description

本発明は、電気自動車に好適な電力変換装置に関する。特に、電気自動車の走行用モータに供給する電流を扱うインバータや電圧コンバータなどの電力変換装置に関する。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。

インバータやコンバータなどの電力変換装置では入力電流あるいは出力電流を平滑化するためのコンデンサを備える。コンデンサは発熱し易い素子であり、電気自動車の走行用モータに供給する電流は数十アンペアであるため、そのような電流を平滑化するコンデンサも大容量となり発熱量も大きい。他方、自動車に搭載されるデバイスにはコンパクト性が求められる。電力変換装置を小型化する結果、部品の実装密度が高くなり、単に部品を冷却するだけでなく、他の部品への熱の影響を低減することが重要になってきている。特に、コンデンサは、自身の発熱が多いことに加えて、コンデンサ自体が熱に対して強くはなく、他の部品の熱からコンデンサを保護することが重要である。

コンデンサの熱対策に関する技術が例えば特許文献１や２に提案されている。特許文献１の技術は、インバータ回路等の発熱からコンデンサを保護するものであり、コンデンサと発熱する電子部品の間に金属板を配置する。電子部品が発した熱を金属板が反射する。また、金属板は筐体に固定されており、金属板が吸収した熱は筐体へと拡散する。かくして金属板がコンデンサを熱的に保護する。また、コンデンサを周囲の部品から絶縁するため、コンデンサの周囲を樹脂で覆うことが行われる。しかし、コンデンサやコンデンサから延設されている電極が温度変化（熱サイクル）の繰り返しによって収縮を繰り返すと樹脂に繰り返し応力が加わり、クラックが発生する可能性が出てくる。クラックが発生する位置や形状によっては、クラックを通ってコンデンサから金属板へ電流が流れるおそれがあり、コンデンサと他の部品との絶縁性が確保できない。特許文献２には、コンデンサの周囲に充填された樹脂のクラック防止として、電極と充填樹脂の間に樹脂製の板を配置することが提案されている。電極の伸縮の影響は樹脂製の板により緩和され、充填樹脂に作用する応力が小さくなる。

特許第４７０２３１１号公報 特開２００９−２０６３４２号公報

コンデンサを熱から保護するために金属板を用いる際、多くの場合はコンデンサと金属板の間を樹脂で充填し、絶縁を確保する。しかし、充填樹脂にクラックが発生すると、絶縁性の確保が難しくなる。本明細書は、コンデンサを他の部品の熱から保護するために金属板を用いるとともに、その金属板とコンデンサとの絶縁性が失われ難い構造を提供する。

本明細書が開示する技術は、電気自動車に搭載される電力変換装置であって、コンデンサを備えた電力変換装置に具現化することができる。コンデンサは、典型的には、モータ駆動電流の平滑用である。本明細書が開示する新規な電力変換装置では、コンデンサがケースに収容されているとともに、ケースとコンデンサの間の空間には充填剤が介在している。ケースは典型的には樹脂製であり、充填材もまた典型的には樹脂製である。但し、ケースは充填材よりも強度が高い。そして、ケースは、コンデンサを収容する空間とは別の空間を有しているとともに、電力変換装置内で他の電子部品との間に位置する金属板を備えている。金属板は、電力変換装置内で他の電子部品の熱からコンデンサを保護する目的で備えられている。金属板は、その一部がケースに埋設されており、残部が上記した別の空間に位置している。金属板の残りの部分の周囲には充填材が充填される。また、コンデンサを収容する空間と上記した別の空間を隔てる隔壁は、典型的には、ケースの一部であってよい。ケースと隔壁が共に樹脂製の場合、ケースと隔壁は射出成形にて一体に作られるものであってよい。ケースと隔壁は、充填材よりも強靭である（充填材よりも強度が高い）。即ち、典型的には、コンデンサと金属板の間に、ケースと同じ性質の樹脂製の仕切り（隔壁）が設けられる。充填材にクラックが発生したとしても強度が高い隔壁によってクラックの進行が妨げられ、金属板とコンデンサの間にわたってクラックが形成されるのを防ぐことができ、絶縁性が確保される。充填材も、典型的には樹脂でよい。ただし、ケースと隔壁も樹脂製である場合、ケースと隔壁は充填材よりも強度が高い樹脂で作られる。

さらに、ケース内に埋設する金属板は、ケースの外部へ伸びているとともに、ケースの外部で電力変換装置の筐体に固定されていると好適である。金属板が吸収した熱が電力変換装置の筐体に拡散され、コンデンサの一層効果的な熱的保護が図れる。金属板が吸収する熱は、外部から受ける熱のほかに、コンデンサ自身の熱が含まれる。即ち、金属板を介してコンデンサの熱を電力変換装置の筐体へ拡散することができ、コンデンサの過熱防止に貢献する。

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。

実施例のパワーコントロールユニット（電力変換装置）を含むハイブリッド車の電力系のブロック図である。 パワーコントロールユニット（一部）の上面図である。 図２のIII−III矢視に相当する断面図である。 図２のIV−IV矢視に相当する断面図である。 変形例のパワーコントロールユニットの断面図である。

図面を参照して実施例の電力変換装置を説明する。実施例の電力変換装置は、ハイブリッド車に搭載されるパワーコントロールユニットである。そのパワーコントロールユニットは、メインバッテリの電力を昇圧した後に交流に変換してモータへ出力する回路と、メインバッテリの電力を降圧して別の電気デバイスへ供給する回路を備える。

パワーコントロールユニットの説明に先立って、ハイブリッド車の電力系を概説する。図１にハイブリッド車２の電力系のブロック図を示す。ハイブリッド車２は、走行用の駆動源として、モータ８とエンジン６を備えている。モータ８の出力トルクとエンジン６の出力トルクは、動力分配機構７で適宜に分配／合成され、車軸９（即ち車輪）へ伝達される。なお、図１は、本明細書が開示する技術の説明に要する部品だけを表しており、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。

モータ８を駆動するための電力はメインバッテリ３から供給される。メインバッテリ３の出力電圧は、例えば３００ボルトである。また、ハイブリッド車２は、メインバッテリ３の他に、カーナビゲーション装置やルームランプなど、メインバッテリ３の出力電圧よりも低い電圧で駆動するデバイス群に電力を供給するための補機バッテリ２４も備える。図１では、メインバッテリ３の出力電圧よりも低い電圧で駆動するデバイス群を「補機２５」と総称している。なお、パワーコントロールユニット５の大電流系回路を除く信号処理回路（ＰＷＭ生成回路など）も補機の一種である。また、「メインバッテリ」との呼称は、「補機バッテリ」と区別するための便宜上のものである。以下、説明を簡略化するため、パワーコントロールユニット５を「ＰＣＵ５」と称することがある。

メインバッテリ３は、システムメインリレー４を介してＰＣＵ５に接続される。システムメインリレー４は、メインバッテリ３と車両の駆動系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４は、上位コントローラ（不図示）により切り換えられる。

ＰＣＵ５は、メインバッテリ３とモータ８の間に接続される電子回路である。ＰＣＵ５は、メインバッテリ３の電圧をモータ８の駆動に適した電圧（例えば６００ボルト）まで昇圧する第１コンバータ回路１２、昇圧後の直流電力を交流に変換するインバータ回路２１、メインバッテリ３の電力を補機２５の駆動に適した電圧（例えば１２ボルト）に降圧する第２コンバータ回路１８を含む。

なお、ハイブリッド車２は、エンジン６の駆動力、あるいは車両の減速エネルギを利用してモータ８で発電することもできる。モータ８が発電する場合、インバータ回路２１が交流を直流に変換し、さらに第１コンバータ回路１２がメインバッテリ３よりも僅かに高い電圧まで降圧し、メインバッテリ３へ供給する。

第１コンバータ回路１２は、フィルタコンデンサ１３とリアクトル１４、及び、２個のスイッチング回路２３ａを主とする回路である。スイッチング回路２３ａは、ＩＧＢＴとダイオードの逆並列接続で構成される。より詳しくは、第１コンバータ回路１２の構成は次の通りである。リアクトル１４とフィルタコンデンサ１３は直列に接続され、その接続点が第１コンバータ回路１２の入力に相当する。フィルタコンデンサ１３の他端はグランドに接続している。リアクトル１４の他端は直列に接続された２個のスイッチング回路の接続点に接続している。そのような回路構成は昇降圧コンバータとして良く知られている。フィルタコンデンサ１３は、メインバッテリ３から供給される入力電流を平滑化するために備えられている。

インバータ回路２１は、モータ８のＵ、Ｖ、Ｗの各相の交流電流を生成すべくスイッチングを繰り返す６個のスイッチング回路２３ｂを主とする回路である。スイッチング回路２３ｂも、ＩＧＢＴとダイオードの逆並列接続で構成される。

第１コンバータ回路１２のスイッチング回路２３ａとインバータ回路２１のスイッチング回路２３ｂを構成するＩＧＢＴとダイオード、及びその周辺回路は、インテリジェントパワーモジュール（ＩＰＭ）としてパッケージ化されている。なお、本明細書では、そのようなパッケージについては、説明を省略する。また、図では、同様の複数のスイッチング回路に対しては符号を省略していることに留意されたい。

第１コンバータ回路１２の高電圧側（即ちインバータ回路側）には平滑コンデンサ１６が並列に接続されている。平滑コンデンサ１６は、インバータ回路２１に入力される電流を平滑化するために挿入されている。なお、第１コンバータ回路１２のスイッチング回路２３ａの高電位側や、インバータ回路２１のスイッチング回路２３ｂの高電位側の電線をＰ線と称する。これに対し、第１コンバータ回路１２とインバータ回路２１の低電位側の電線をＮ線と称する。Ｎ線はグランドＧに接続している。メインバッテリ３からモータ８へは大電流が供給されるので、その大電流が流れるフィルタコンデンサ１３とリアクトル１４は特に発熱量が大きい。

ＰＣＵ５では、さらに、メインバッテリ３の電圧を降圧する第２コンバータ回路１８も、システムメインリレー４を介してメインバッテリ３と接続されている。図１に示されているように、第２コンバータ回路１８は、補機２５に電力を供給するとともに、補機バッテリ２４を充電する。補機バッテリ２４は、メインバッテリ３から電力が供給されない場合（例えばシステムメインリレー４が開放されている場合）に補機２５へ電力を供給するために備えられている。

次に、ＰＣＵ５のハードウエア構成を説明する。図２に、ＰＣＵ５の一部（リアクトル１４とフィルタコンデンサ１３に関係する部分）の平面図を示し、図３に図２のIII−III矢視に相当する断面図を示し、図４に図２のIV−IV矢視に相当する断面図を示す。ただし、図２から図４では、スイッチング回路２３ｂを構成するＩＧＢＴとダイオードを収めたＩＰＭなど、一部ハードウエアの図示を省略していることに留意されたい。また、図３では、第２コンバータユニット５２の内部の図示を省略している。第２コンバータユニット５２は、前述した第２コンバータ回路１８を収めた筐体である。

ＰＣＵ５のケース４１は、上ケース４１ａと下ケース４１ｂに２分割されている。上ケース４１ａ、下ケース４１ｂのいずれもアルミニウムで作られており、導電性である。図２では上ケース４１ａの図示を省略している。ケース４１の内部には、コンデンサユニット６０（フィルタコンデンサ１３）、平滑コンデンサ１６、リアクトル１４、及び、前述のＩＰＭ（不図示）が主たるユニットとして格納されている。ケース４１には他に、前述したスイッチング回路２３ａ、２３ｂのためのＰＷＭ信号を生成する基板ユニットや、電子部品などを冷却する冷却器が格納されるが、その図示は省略している。

リアクトル１４は、図３に示すように、コア１５ａ、コア１５ａに捲回されたコイル１５ｂ、及び、コア１５ａを覆う樹脂１５ｃで構成される。コア１５ａは、磁性体の鉄粉を焼成したものである。樹脂１５ｃの下側が下ケース４１ｂに固定される。図示を省略しているが、より具体的には樹脂１５ｃはボルトにて下ケース４１ｂに固定される。

リアクトル１４に隣接するようにコンデンサユニット６０が配置される。コンデンサユニット６０は、内部にフィルタコンデンサ１３を備えるとともに、フィルタコンデンサ１３を他の部品の熱から保護する金属板６３を備えたデバイスである。コンデンサユニット６０は、下ケース４１ｂの内壁から突出する２箇所の基部４１ｅにボルト６８で固定される。コンデンサユニット６０については後に詳しく説明する。リアクトル１４とコンデンサユニットと６０の間で下ケース４１ｂの底から上方に向けて遮蔽板４１ｃが立設している。遮蔽板４１ｃは、リアクトル１４が発する熱が直接にフィルタコンデンサ１３（コンデンサユニット６０）に伝わることを防いでいる。

リアクトル１４のコイル１５ｂの一端１４ａにはリアクトル正極バスバ３１（リアクトル側バスバ）が接続されており、コイル１５ｂの他端１４ｂにはリアクトル負極バスバ３４が接続されている。図示を省略しているが、リアクトル負極バスバ３４はグランドＧに接続している。なお、「バスバ」は内部抵抗が小さい金属棒状の部材であり、大電流を流すための導電部材を意味する。

図１のブロック図からも明らかなとおり、リアクトル１４の一端１４ａはフィルタコンデンサ１３に接続している。ハードウエア的には、図２と図３に示すように、リアクトル１４の一端１４ａで接続しているリアクトル正極バスバ３１と、コンデンサユニット６０（フィルタコンデンサ１３）から延びているコンデンサ側バスバ３２が、ボルト３８で連結されている。なお、図示を省略しているが、ボルト３８には、メインバッテリ３から電力を供給するバスバも接続される。図示は省略するが、コンデンサ側バスバ３２の途中から分岐端が延びており、その分岐端がコンデンサユニット６０の内部でフィルタコンデンサ１３の一方の電極に接続している。フィルタコンデンサ１３の他方の電力はグランドＧに接続している。コンデンサ側バスバ３２の他端は下方へ延びており、ＤＣコンバータ側バスバ３５とボルト３９で接続している。

リアクトル正極バスバ３１の最上方の水平部分３１ａの上に伝熱部材３６が配置されており、その伝熱部材３６は上ケース４１ａと接している（図３参照）。即ち、リアクトル正極バスバ３１は伝熱部材３６を介して上ケース４１ａと接している。伝熱部材３６は絶縁材でもある。伝熱部材３６は、例えばシリコンゴム製であり、絶縁性と伝熱性に優れている。また、伝熱部材３６は適度な弾力があり、上ケース４１ａを下ケース４１ｂに被せる際、伝熱部材３６はリアクトル正極バスバ３１と上ケース４１ａとの間で縮み、リアクトル正極バスバ３１と上ケース４１ａの双方に密着する。

コンデンサユニット６０の上方に別の回路ユニット５５が配置されている。図示は省略しているが、回路ユニット５５は、上ケース４１ａに固定されている。回路ユニット５５は発熱量の大きい部品を内蔵している。それゆえ、コンデンサユニット６０には、回路ユニット５５が発する熱からフィルタコンデンサ１３を保護するべく、金属板６３が埋設されている。次に、コンデンサユニット６０を詳しく説明する。

コンデンサユニット６０は、樹脂製のケース６１と、ケース６１に埋め込まれた金属板６３と、コンデンサ本体（フィルタコンデンサ１３）と、ケース６１の内側とコンデンサ本体（フィルタコンデンサ１３）の間を埋めている充填樹脂６２（充填材）で構成されている。金属板６３は、コンデンサ本体を他のデバイスの熱から保護するために導入されたものである。本実施例の場合、コンデンサユニット６０の上方に位置する回路ユニット５５の発熱量が大きいため、金属板６３がコンデンサ本体の上方に位置するようにコンデンサユニット６０の向きが定められている。また、金属板６３は、図４に示すように、ケース６１に埋設されている部位でコンデンサ本体を囲むようにコの字型に曲げられているとともに、さらにケース側方から外へと延設されており、コンデンサユニット６０のケース６１の外部でＰＣＵ５の筐体（下ケース４１ｂ）にボルト６８にて固定されている。コンデンサ本体（フィルタコンデンサ１３）を外部の部品の熱から保護する金属板６３がケース６１の外まで延びておりＰＣＵ５の筐体（下ケース４１ｂ）に固定されていることで、金属板６３が吸収した外部からの熱はＰＣＵ５の筐体へと拡散する。この構造は、コンデンサ本体の過熱防止に貢献する。

コンデンサ本体（フィルタコンデンサ１３）とケース６１との間の隙間は、充填樹脂６２で満たされている。充填樹脂６２は、主に、衝撃からコンデンサ本体を保護する目的と、コンデンサ本体を他の部品から絶縁する目的で用いられている。充填樹脂６２は、ケース６１内にコンデンサ本体を配置した後に、周囲の隙間に流し込んだ溶融樹脂が固化したものである。流し込まれた樹脂が固化した充填樹脂６２は、射出成形プロセスにて高圧で固められた樹脂と異なり、射出成形品よりも脆弱である。ケース６１は射出成形で作られており、充填樹脂６２よりも強靭である。

前述したように、金属板６３は、コンデンサユニット６０のケース６１に埋設されている。それゆえ、金属板６３とコンデンサ本体（フィルタコンデンサ１３）との間にもケース６１の一部が両者を分離する遮蔽壁６１ａとして存在する。コンデンサ本体の周囲は充填樹脂６２で満たされているが、充填樹脂６２は脆弱であり、コンデンサ本体の熱サイクル、或いは、外部から加わる熱サイクルの繰り返しが過剰に加わるとクラックを生じる虞がある。しかし、充填樹脂６２よりも強靭な射出成型品の遮蔽壁６１ａがコンデンサ本体と金属板６３の間に位置する。それゆえ、コンデンサユニット６０は、充填樹脂６２にクラックが生じても、コンデンサ本体と金属板６３の間で絶縁が破られることはない。

次に、ＰＣＵ５の変形例を説明する。図５は、変形例のＰＣＵ５ａの一部断面図である。図５は、先に説明したＰＣＵ５の図３の断面図に対応する。但し、図５は、コンデンサユニット１６０の周囲を部分的に拡大した図である。ＰＣＵ５ａでは、コンデンサユニット１６０の構造が先に説明したＰＣＵ５のコンデンサユニット６０とは異なる。その他の構造はＰＣＵ５と同じである。ＰＣＵ５ａのコンデンサユニット１６０では、金属板１６３の一部の周囲に空間が設けられ、その空間に樹脂６２が充填されている。別言すれば、コンデンサユニット１６０では、金属板１６３の一部がケース１６１に埋没し、残りがケース１６１内に新たに設けられた空間において樹脂１６２に接している。そして、遮蔽壁１６１ａ（隔壁）は、ケース１６１の一部がコンデンサ本体（フィルタコンデンサ１３）と金属板１６３の間に延出するように設けられている。

実施例で説明した技術に関する留意点を述べる。コンデンサユニット６０が備える金属板６３は、回路ユニット５５が発する熱からコンデンサ本体（フィルタコンデンサ１３）を保護するだけでなく、他の周囲の部品が発する熱からもコンデンサ本体を保護する。例えば、リアクトル１４からは、リアクトル側バスバ３１がコンデンサユニット６０の上方へと伸びているが、リアクトル１４の発熱量も大きく、その熱エネルギはリアクトル側バスバ３１を伝い、コンデンサユニット６０の上方でボルト３８へ到達する。コンデンサユニット６０のケース６１に埋設された金属板６３は、リアクトル１４からバスバ３１介して伝達される熱からもコンデンサ本体を保護する。

実施例で説明したコンデンサユニット６０の構造は、フィルタコンデンサ１３への適用に限られるものではない。本明細書が開示する技術は、他のコンデンサ、例えば、図１の平滑コンデンサ１６に適用することも好適である。

コンデンサユニット６０のケース６１の一部であり、金属板６３とコンデンサ本体（フィルタコンデンサ１３）との間に位置する遮蔽壁６１ａが、隔壁（樹脂壁）の一例に相当する。ＰＣＵ５のケース４１（上ケース４１ａ、下ケース４１ｂ）が、電力変換装置の筐体の一例に相当する。

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：ハイブリッド車
３：メインバッテリ
４：システムメインリレー
５、５ａ：パワーコントロールユニット（電力変換装置）
６：エンジン
７：動力分配機構
８：モータ
１２：コンバータ回路
１３：フィルタコンデンサ
１４：リアクトル
１６：平滑コンデンサ
１８：コンバータ回路
２１：インバータ回路
２３ａ、２３ｂ：スイッチング回路
３１：リアクトル正極バスバ
３２：コンデンサ側バスバ
３４：リアクトル負極バスバ
３５：コンバータ側バスバ
３６：伝熱部材
３８、３９：ボルト
４１：ケース（電力変換装置の筐体）
４１ａ：上ケース
４１ｂ：下ケース
５２：コンバータユニット
５５：回路ユニット
６０、１６０：コンデンサユニット
６１、１６１：ケース
６１ａ、１６１ａ：遮蔽壁（隔壁）
６２：充填樹脂（充填材）
６３、１６３：金属板
６８：ボルト

Claims (3)

1. 電気自動車に搭載され、バッテリの電力を走行用モータの駆動に適した電力に変換する電力変換装置であり、
   コンデンサがケースに収容されているとともに、前記ケースと前記コンデンサの間の空間には充填材が介在し、
   前記ケースは、前記コンデンサを収容する空間とは別の空間を有しているとともに、電力変換装置内で他の電子部品との間に位置する金属板を備えており、
   前記金属板は、その一部が前記ケースに埋設されているとともに残部が前記別の空間内に位置しており、当該別の空間が充填材で充填されており、
   前記コンデンサを収容する空間と前記別の空間を隔てるケースの隔壁が、前記コンデンサと前記金属板を隔てている、
   ことを特徴とする電力変換装置。
2. 前記金属板は、ケースの外部へ伸びているとともに、ケースの外部で電力変換装置の筐体に固定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. ケースと隔壁は、充填材よりも強度の高い樹脂製であることを特徴とする請求項２に記載の電力変換装置。

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