JP5856410B2 - 電気自動車用の電力変換装置および電気自動車 - Google Patents

Description

本発明は、バッテリ電力を走行用モータに適した電力に変換する電力変換装置と、その電力変換装置を搭載した電気自動車に関する。本明細書における「電気自動車」には、ハイブリッド車と燃料電池車も含まれる。

電気自動車の車両駆動用モータは大きなトルクを出力するため、必要とする電流も大きい。そのため、メインバッテリの電力をモータ駆動に適した電力に変換する電力変換装置も大電流を扱うことになり、発熱量が大きい。他方、車両用のデバイスにはコンパクト性も求められる。電気自動車用の電力変換装置には、熱対策とコンパクト性の両立が求められる。なお、電力変換装置は、典型的には、直流を交流に変換するインバータ、あるいは、インバータと、直流電力の電圧を異なる電圧に変換する電圧コンバータの組み合わせである。

電力変換装置の中でも特に発熱源となるのは、スイッチング素子（ＩＧＢＴなどのいわゆるパワートランジスタや、それに並列接続されるフリーホイールダイオードなどのパワー素子）と、リアクトルである。リアクトルは、よく知られているように、電力変換装置にあって、スイッチング素子とともに電圧変換回路を構成する。特許文献１には、スイッチング素子とリアクトルとそれらを冷却する冷却器をコンパクトに収めた電力変換装置が提案されている。その電力変換装置の冷却器は、平型の複数の冷媒通路を有しており、スイッチング素子を収めた複数の平型のパワーモジュールと冷媒通路が交互に積層した構造を有している。リアクトルは、最外側の隣接する２枚の冷媒通路に挟まれている。即ち、その電力変換装置では、リアクトルと複数のパワーモジュールがそれぞれ平型の冷媒通路にサンドイッチされている。なお、スイッチング素子をパワーモジュールとして他の回路（スイッチング素子を制御する回路など）と別体にするのは、スイッチング素子を集中的に冷却するためである。

特開２０１０−２２５７２３号公報

近年、電気自動車、特に、ハイブリッド車の高性能化が進み、電力変換装置にも一層のコンパクト化と高い冷却能力が求められている。冷却能力を向上させる一つの手法は、２個の冷却器を備えて、パワーモジュールとリアクトルを個別に冷却することである。しかしながら、単純にパワーモジュール用とリアクトル用に２個の冷却器を備えるだけでは装置が大型化する。本明細書は、冷却器を２個備えるが、電力変換装置内の部品のレイアウトを工夫して冷却を効率化し、全体をコンパクトにすることのできる電力変換装置を提供する。

本明細書が開示する電力変換装置は、スイッチング素子を収めたパワーモジュールとそれを冷却する第１冷却器が一体化したユニットと、リアクトルを所定の幾何学的関係で支持するブラケットを備える。ここでの「パワーモジュール」とは、電圧コンバータやインバータの回路の中から集中的に冷却したい素子（ＩＧＢＴや還流ダイオード）を他の制御回路から独立させた基板を意味する。以下、スイッチング素子を収めたパワーモジュールとそれを冷却する第１冷却器が一体化したユニットを、パワー素子ユニット、略してＰＥユニットと称する。ブラケットは、ＰＥユニットとリアクトルが空隙を有して横方向に並ぶようにそれらを支持する。また、ブラケットは、ＰＥユニットとリアクトルを、それらの側方又は上方から支持する。ブラケットは、電力変換措置のケースに固定される。本明細書における「ブラケット」とは、ＰＥユニットとリアクトル（及び後述する回路基板）をケース内部で所定の位置に固定するための部材である。なお、「ブラケット」とは、部品（この場合はＰＥユニットとリアクトル）を固定する部材を示す語であり、従って、その形状に特段の制約はないことに留意されたい。電力変換装置はさらに、リアクトルの下面に接してリアクトルを冷却する第２冷却器を備える。

上記の電力変換装置では、パワーモジュールを冷却する第１冷却器とは別に、リアクトルを冷却する第２冷却器を備える。第２冷却器はリアクトルの下面に接しており、リアクトルをその下側から冷却する。ブラケットは、パワーモジュールの放熱経路とリアクトルの放熱経路ができるだけ分離されるように、リアクトルとＰＥユニットとの間に空隙を確保する。さらに、ブラケットは、リアクトルの側方又は上方からリアクトルを支持する。これは、ブラケットは第１冷却器を含むＰＥユニットとリアクトルの双方に接するが、第２冷却器を通じたリアクトルの放熱経路にブラケットが与える影響を最小限に抑えるためである。

以上のとおり本明細書が開示する新たな電力変換装置は、パワーモジュールを冷却する第１冷却器とは別に、リアクトルを冷却する第２冷却器をリアクトルの下面に接するように配置し、しかもその放熱経路が第１冷却器によるパワーモジュールの冷却経路とはできるだけ独立するように各部品を配置する。そのような配置により、それぞれの冷却器が独立に機能し、高い冷却効率を実現する。高い冷却効率は、装置全体のコンパクト化に繋がる。

本明細書が開示する電力変換装置ではさらに、電力変換装置のケースの底部を第２冷却器に利用するのがよい。即ち、電力変換装置のケースの底部に冷媒通路を形成するのがよい。ケース底部を第２冷却器の筐体としても用いることで、装置全体を一層コンパクトにすることができる。このとき、ブラケットはケースの上部に固定されるのがよい。より詳しくは、ブラケットはケース上部に固定されて、ケース内部のＰＥユニットとリアクトルを支持するのがよい。ブラケットとケースの接点をケース上部とすることで、ケース底部の第２冷却器との熱的干渉を低く抑えることができる。

電力変換装置は、スイッチング素子を制御する回路を実装した回路基板も有することがある。その回路基板は、ブラケットによって、リアクトルの上方に空隙を有して支持されるのがよい。さらにこのとき、ブラケットの一部がリアクトルの上部を覆っているとよい。リアクトルの上部を覆っているブラケットの部分を、「覆い部」と称する。ブラケットは、覆い部の上方に空隙を有して回路基板を支持するのがよい。この構成は次の利点を有する。回路基板がリアクトルに近いと、リアクトルが発生する熱によって回路基板が熱せられる。そこで、ブラケットが、リアクトルの上部を覆うとともに、覆い部の上方に空隙を有して回路基板を支持することによって、リアクトルの熱が回路基板へ達することを防止する。なお、回路基板は、ブラケットを介して第１冷却器によって冷却され得る。

電力変換装置は、第２冷却器の下面に接する他の電子ユニットをさらに備えることも好適である。すなわち、第２冷却器は、その上面でリアクトルを冷却し、その下面で他の電子ユニットを冷却する。そのような配置は、第２冷却器を有効に使うことができる。他の電子ユニットは、例えば、スイッチング素子を備えた別の電圧コンバータであってよい。

本明細書は、第２冷却器の上記の配置を利用したさらなる改良も提示する。即ち、リアクトルを流れる電流を平滑化するコンデンサを、リアクトル又はＰＥユニットの側方に位置するようにブラケットによって支持する。そして、リアクトルの半分より下側から出てコンデンサに電気的に接続しているバスバーを、その一部が第２冷却器に接するようにレイアウトする。リアクトルとコンデンサを繋ぐバスバーには、大電流に耐えられるように太い金属線（細長金属板）が用いられる。そのため、バスバーはリアクトルの伝熱経路となり得るが、途中で第２冷却器と接することで、電熱経路を遮断することができ、コンデンサをリアクトルの熱から守ることができる。

ＰＥユニットは、典型的には、平型の複数のパワーモジュールと第１冷却器の複数の平型冷媒通路が交互に積層されたものであってよい。また、「リアクトルの下面が第２冷却器と接している」とは、リアクトルが伝熱材を介して第２冷却器に接している態様を含むことに留意されたい。リアクトルとコンデンサを接続するバスバーも、伝熱材を介して第２冷却器と接触していればよい。伝熱材は、例えばシリコングリースなどのゲル状の物質であってよい。

上記の電力変換装置は、傾斜した上面を有するドライブトレインと組み合わせて電気自動車に搭載されることにも利点がある。即ち、電力変換装置は、ＰＥユニットが低い側に位置しリアクトルが高い側に位置するように傾斜上面に固定されるとよい。リアクトルが高い側に位置すると、電力変換装置のケース内部の温かい空気はリアクトルの上方に集まる。しかし、上記の電力変換装置では、リアクトルの熱はリアクトルの下側から効率よく放熱されるので、ケース内部に残留する熱が少なくなり、リアクトル上方に熱がこもり難くなる。しかも、第２冷却器が電力変換装置の底部に位置するので、リアクトルやＰＥユニットとドライブトレインとの熱的干渉を遮断できる。

実施例の電力変換装置の側面図である。 実施例の電力変換装置の平面図である。 ＰＥユニットの模式的斜視図である。 エンジンコンパートメント内のデバイスレイアウトを示す斜視図である。 電力変換装置を載せたドライブトレインの模式的側面図である。

図面を参照して実施例の電力変換装置１０を説明する。図１は側面図であるが、理解を助けるために、図１は、ケース４とそのカバー２を断面で描き（ハッチングを付してある）、ケース内部の部品は側面図として描いてある。図２は平面図であるが、電力変換装置１０の上方に位置するカバー２と回路基板３を取り外したところを描いてある。

電力変換装置１０は、電気回路的には、バッテリの電圧を変換する電圧コンバータと、直流を交流に変換するインバータからなる。電圧コンバータとインバータの電気回路は、具体的には、リアクトル６と、平滑コンデンサ９と、複数のパワーモジュール２２の内部のスイッチング素子ＳＷと、パワーモジュール２２内のスイッチング素子ＳＷを制御する回路基板３で構成される。よく知られているように、リアクトルは、電力変換装置にあって、スイッチング素子とともに電圧変換回路を構成する。電圧コンバータもインバータも、パワートランジスタと還流ダイオードが並列接続したスイッチング回路を複数有する。スイッチング回路を構成するパワートランジスタや還流ダイオードがスイッチング素子ＳＷに相当する。一つ又は２つのスイッチング回路が一つの独立した基板に搭載され、それを一つのパワーモジュール２２と称する。なお、図１〜図３では、図面を理解し易くするための６個のパワーモジュールのみを描いてあるが、電力変換装置１０はさらに多くのパワーモジュールを備えていてもよい。電力変換装置１０を構成する他の部材としては、パワーモジュール２２を冷却する第１冷却器２５と、リアクトル６を冷却する第２冷却器８と、ブラケット５、及び、別のコンバータ１４がある。ブラケット５は、回路基板３、リアクトル６、パワーモジュール２２（第１冷却器２５）をケース４に対して支持する部材である。

第１冷却器２５とパワーモジュール２２は一体化しており、それをＰＥユニット２０と称する。ＰＥユニット２０について説明する。図３に、ＰＥユニット２０の模式的斜視図を示す。第１冷却器２５では、２本のパイプ２９ａ、２９ｂが、複数の平型の冷媒通路２１を貫いており、複数の冷媒通路２１を、それらが平行に並ぶように支持している。２本のパイプ２９ａ、２９ｂと、夫々の冷媒通路２１は、内部で通じており、一方のパイプ２９ａから供給される冷媒（水）は、各冷媒通路２１を通り、他方のパイプ２９ｂから排出される。スイッチング素子ＳＷを収めたパワーモジュール２２は、隣接する２枚の冷媒通路の間に挟まれている。すなわち、ＰＥユニット２０は、平型の複数のパワーモジュール２２と第１冷却器２５の複数の平型冷媒通路２１が交互に積層されて構成されたものである。ＰＥユニット２０では、平型のパワーモジュール２２の両面を冷媒が通るので、スイッチング素子ＳＷを効率よく冷却することができる。なお、各パワーモジュールＳＷからはリード線２２ａが伸びている。このリード線２２ａは、図１に示すように回路基板３に繋がっている。

図１、図２に戻り電力変換装置１０の内部構造の説明を続ける。リアクトル６、平滑コンデンサ９、ＰＥユニット２０、及び、回路基板３は、ブラケット５に支持され、ケース４に収容される。ブラケット５は、ケース４の上方に固定される。図２によく示されているように、平面視すると、ブラケット５は、ＰＥユニット２０とリアクトル６を囲んでいる。

図１に示すように、ＰＥユニット２０は、ブラケット５から下方に伸びる２本のステー５ｂに挟まれて固定される。すなわちＰＥユニット２０は、その上方からブラケット５に支持される。図１において右側のステーとＰＥユニット２０の端部との間にはバネ１３が嵌挿されており、このバネ１３が、２本のステー５ｂの間でＰＥユニット２０を付勢し、固定している。なお、バネ１３は、冷媒通路２１とパワーモジュール２２を積層方向に押圧し、これによって冷媒通路２１とパワーモジュール２２はしっかりと密着することになり、パワーモジュール２２の熱がよく冷媒通路２１に伝達される。

回路基板３には、パワーモジュール２２内の素子を制御する回路が実装されている。回路基板３は、ブラケット５から上方に伸びるステー５ａによって、ＰＥユニット２０とリアクトル６の上方に支持される。図１に示されているように、パワーモジュール２２から伸びているリード線２２ａが回路基板３に繋がっている。

ブラケット５は、ＰＥユニット２０に隣り合うように、リアクトル６を支持している。なお、リアクトル６は、平行に並んだ２個のコイル（巻き線は１本）とそれらを貫通するコアで構成されている。

ブラケット５から下方へ向けてステー５ｃが伸びており、そのステー５ｃにリアクトルカバー５ｄが取り付けられている。リアクトルカバー５ｄは、リアクトル６の上部を覆う箱型のカバーである。リアクトルカバー５ｄは、ブラケット５の一部である。ブラケット５とステー５ａ、５ｂ、５ｃ、及び、リアクトルカバー５ｄは、一つの金属板からプレス加工で製造されたものである。リアクトル６は、リアクトルカバー５ｄの内側に固定されている。即ち、ブラケット５は、リアクトル６の上部を覆っているとともに、リアクトル６をその上方で支持している。ブラケット５は、ＰＥユニット２０とリアクトル６の間に空隙Ｓｐ１が確保されるように、また、回路基板３とリアクトルカバー５ｄの間にも空隙Ｓｐ２が確保されるように、ＰＥユニット２０、回路基板３、及び、リアクトル６を支持する。なお、リアクトルカバーに替えて、ブラケット５の対応部分を逆凹形状としてもよい。

図２によく示されているように、ＰＥユニット２０とリアクトル６の側方に、４個のコンデンサ９ａ、９ｂが並んでいる。コンデンサ９ａ（平滑コンデンサ）は、３相インバータ電圧を平滑化するためのものである。コンデンサ９ｂ（フィルタコンデンサ）は、リアクトル６を流れる電流の脈動を平滑化するためのものである。電圧の変換（昇圧、あるいは、降圧）は、リアクトル６に流れる電流をチョッピングすることによって達成される。チョッピングする毎にリアクトル６を流れる電流が脈動するが、コンデンサ９ｂがその脈動を抑える。コンデンサ９ａ、９ｂもブラケット５に支持されている。リアクトル６とコンデンサ９ｂはバスバー７で電気的に接続されている。バスバー７は、リアクトル６の下方から出ており、リアクトル６の側方を通り、コンデンサ９ｂに達している。

電力変換装置１０は２重底８ａになっており、それらの間を冷媒が通るようになっている。すなわち、２重底８ａの間の空間は冷却器（第２冷却器８）を構成する。ケース４の側面に、この第２冷却器８へ冷媒（水）を供給する冷媒供給管２８ａと、内部の冷媒を排出する冷媒排出管２８ｂが取り付けられている。ケース４の底、すなわち、第２冷却器８の上面には伝熱材Ｗが盛られている。伝熱材Ｗはまた、リアクトル６の底部とバスバー７の一部に接している。即ち、リアクトル６の下面、及び、バスバー７の一部が、伝熱材Ｗを介して第２冷却器８と接している。図１の符号Ｐが示す位置が、バスバー７と伝熱材Ｗが接している箇所を示している。なお、図２では、伝熱材Ｗの図示を省略している。伝熱材Ｗは、ゲル状のシリコングリースである。

第２冷却器８の下面（即ち、ケース４の下面）には、別の電圧コンバータ１４がボルトで固定されている。すなわち、第２冷却器８は、上面にてリアクトル６を冷却し、下面にて別の電圧コンバータ１４を冷却する。

電力変換装置１０の構造の利点を説明する。電力変換装置１０では、パワーモジュール２２はそれを挟み込んでいる第１冷却器２５が冷却し、リアクトル６は第２冷却器８が冷却する。第２冷却器８は、リアクトル６の下面に接触しており、リアクトル６の下面から熱を奪う。リアクトル６はＰＥユニット２０と隣接しているが、それらの間には空隙Ｓｐ１が確保され、熱が伝達し難いようになっている。すなわち、第１冷却器２５によるパワーモジュール２２の伝熱経路と、第２冷却器８によるリアクトル６の伝熱経路は分離されており、それぞれが独立に別々の部品を冷却する。また、リアクトル６はその上方で回路基板３とも隣接するが、リアクトル６の上部はリアクトルカバー５ｄで覆われており、さらにリアクトルカバー５ｄの上方に空隙Ｓｐ２を有して回路基板３が位置している。リアクトルカバー５ｄとその上の空隙Ｓｐ２が、回路基板３をリアクトル６の熱から保護する。

第２冷却器８はまた、リアクトル６とコンデンサ９を電気的につなぐバスバー７の一部にも接しており、バスバー７を介したコンデンサ９への伝熱経路を遮断する。

図４、図５を参照して電力変換装置１０を搭載した自動車９０を説明する。自動車９０は、エンジンＥＧとモータを搭載したハイブリッド車である。自動車９０は、モータを駆動するため、電力変換装置１０（インバータ）を搭載する。電力変換装置１０は、エンジンＥＧ、ドライブトレイン５０とともに、エンジンコンパートメントＥＣ内に搭載される。エンジンＥＧとドライブトレイン５０は、ラジエータＲＴの後方に配置される。エンジンＥＧとドライブトレイン５０は、横方向に並んで配置される。ドライブトレイン５０の側方には、バッテリＢＴが配置される。ドライブトレイン５０は、２個のモータＭＧ１とＭＧ２、及び、動力源（エンジンとモータ）の出力を車軸に伝達するトランスミッションＴＭを内蔵している。トランスミッションＴＭには、エンジンＥＧの出力軸も係合している。図５に示すように、ドライブトレイン５０では、２個のモータＭＧ１、ＭＧ２の出力シャフト５１、５２、及び、トランスミッションＴＭのメインシャフト５３（エンジン出力軸に相当する）の合計３本の主たるシャフトが平行となっている。図５に示すように、モータＭＧ１はやや上方に位置する。２個のモータＭＧ１、ＭＧ２とトランスミッションＴＭは、３本のシャフトが車両の横方向（図中のＹ軸方向）に伸びる向きに配置される。２個のモータＭＧ１、ＭＧ２とトランスミッションＴＭのそのような配置により、ドライブトレイン５０は、車両前側（図中、Ｘ軸の正方向）が低く、車両後側（図中、Ｘ軸の負方向）が高くなっている傾斜上面５０ａを有している。その傾斜上面５０ａに電力変換装置１０が固定されている。電力変換装置１０は、ＰＥユニット２０が低い側（車両前側）に位置しリアクトル６が高い側（車両後側）に位置するように傾斜上面５０ａに固定される。そのため、第１冷却器２５へ冷媒を通すパイプ２９、第２冷却器８へ冷媒を通すパイプ２８が、電力変換装置１０の車両前側の側面から飛び出している。それらのパイプには冷媒管５５が連結されている。冷媒管５５を通じて冷媒が第１冷却器２５と第２冷却器８へ供給される。

電力変換装置１０は、リアクトル６が高い側に位置し、その上に回路基板３が位置する。電力変換装置１０内で熱い空気は、上方へ移動する。ここで、リアクトル６はリアクトルカバー５ｄに覆われているので、リアクトル６が発する熱はリアクトルカバー５ｄの内側に留まり、その上方に位置する回路基板３の周りには達しない。従って、回路基板３が熱的に保護される。

実施例の電力変換装置１０に関する留意点を述べる。リアクトル６とＰＥユニット２０はいずれもブラケット５によって上方から支持されている。リアクトル６とＰＥユニット２０は、ブラケット５によってそれらの側方から支持されていてもよい。リアクトル６とＰＥユニット２０は、ブラケット５を介してケース４に支持されており、ケース４から熱的に分離されている。

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：カバー
３：回路基板
４：ケース
５：ブラケット
６：リアクトル
６ａ：リアクトルカバー（覆い部）
７：バスバー
８：第２冷却器
９ａ、９ｂ：コンデンサ
１０：電力変換装置
１３：バネ
１４：別の電圧コンバータ
２０：パワー素子ユニット（ＰＥユニット）
２１：冷媒通路
２２：パワーモジュール
２５：第１冷却器
５０：ドライブトレイン
５０ａ：傾斜上面
９０：自動車
ＥＣ：エンジンコンパートメント
ＥＧ：エンジン
ＭＧ１、ＭＧ２：モータ
ＴＭ：トランスミッション
Ｗ：伝熱材

Claims (7)

1. 電気自動車用の電力変換装置であって、
   リアクトルと、
   スイッチング素子を収めたパワーモジュールと、
   パワーモジュールと一体化している第１冷却器と、
   パワーモジュールと第１冷却器のユニットとリアクトルが空隙を有して並ぶように前記ユニットとリアクトルをそれらの側方又は上方から支持しているブラケットと、
   リアクトルの下面に接してリアクトルを冷却する第２冷却器と、
   リアクトルを流れる電流を平滑化するコンデンサと、
   を備えており、
   リアクトルの半分より下側から出てコンデンサに電気的に接続しているバスバーの一部が第２冷却器に接していることを特徴とする電力変換装置。
2. パワーモジュールとリアクトルを収めるケースの底部が第２冷却器を構成しており、ブラケットがケースの上部に固定されることを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
3. ブラケットの一部が、リアクトルの上部を覆っており、
   ブラケットはさらに、スイッチング素子を制御する回路を実装した回路基板を、ブラケットのリアクトル覆い部の上方に空隙を有して支持し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。
4. 第２冷却器の下面に接する他の電子ユニットをさらに備えることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の電力変換装置。
5. 前記ユニットは、平型の複数のパワーモジュールと第１冷却器の複数の平型冷媒通路が交互に積層されたものであることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の電力変換装置。
6. リアクトルは、伝熱材を介して第２冷却器に接していることを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の電力変換装置。
7. 請求項１から６のいずれか１項に記載の電力変換装置であって、バッテリの電力を走行用モータに適した電力に変換するための電力変換装置と、
   傾斜した上面を有するドライブトレインと、
   を備えており、
   電力変換装置が、前記ユニットが低い側に位置しリアクトルが高い側に位置するように前記傾斜上面に固定されていることを特徴とする電気自動車。

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