JP5919422B1 - 電力変換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】電力損失や電気ノイズを低減できると共に、装置を小型化できる電力変換装置を提供することを目的とする。【解決手段】蓄電装置の直流電力と負荷に供給する交流電力とを変換するパワーモジュールと、蓄電装置の直流電圧を変換するＤＣ／ＤＣコンバータと、外部コネクタを介して供給される電力により蓄電装置の充電を制御する充電装置と、電圧を平滑化するコンデンサを有するコンデンサモジュールと、パワーモジュールと、ＤＣ／ＤＣコンバータと、充電装置と、コンデンサモジュールとを収装するケースと、を備え、ケース内で、コンデンサモジュールの周囲に、パワーモジュール、充電装置及びＤＣ／ＤＣコンバータが配置される。【選択図】図１

Description

本発明は、電動自動車やハイブリッド自動車等に搭載される電力変換装置に関するものである。

電動自動車やハイブリッド自動車等に搭載される電力変換装置は、パワーモジュールや各種電子機器が備えられ、各部品の配置により筐体が大型化してしまうという問題があった。

このような問題に対して、収納ケース内の車両前方方向に高電圧部品を配列すると共に車両後方方向に低電圧部品を配列するようにした電気ユニット（特許文献１参照）が開示されている。

特開２０１３−２０９０７８号公報

特許文献１に記載の従来の技術は、衝撃入力が加えられたときに、低電圧部品が高電圧部品に対する緩衝材として機能することで、ユニットを大型化することなく、衝撃入力時に高電圧部品が露出しないようにできるものである。

一方で、特許文献１に記載の従来の技術では、電力の配線における損失については考慮されていなかった。特に、パワー素子やコンデンサ等を接続する配線の経路が長くなると、経路の抵抗値やインダクタンスが上昇し、電力損失や電気ノイズが増加するという問題がある。

本発明は、このような問題点に着目してなされたものであり、電力損失や電気ノイズを低減すると共に、装置を小型化できる電力変換装置を提供することを目的とする。

本発明のある実施態様によると、バッテリと負荷との間で電力を変換して供給する電力変換装置であって、バッテリの直流電力と負荷に供給する交流電力とを変換するパワーモジュールと、バッテリの直流電圧を変換するＤＣ／ＤＣコンバータと、外部コネクタを介して供給される電力によりバッテリの充電を制御する充電装置と、電圧を平滑化するコンデンサを有するコンデンサモジュールと、パワーモジュールと、ＤＣ／ＤＣコンバータと、充電装置と、コンデンサモジュールとを収装し、冷却面を有するケースと、を備え、ケース内で、コンデンサモジュールの周囲に、パワーモジュール、充電装置及びＤＣ／ＤＣコンバータが配置されると共に、パワーモジュールと充電装置との間にＤＣ／ＤＣコンバータが配置され、パワーモジュールとＤＣ／ＤＣコンバータと充電装置とは、冷却面の同一の面側に載置され、コンデンサモジュールは、パワーモジュールと充電装置との間に配置され、一方側でパワーモジュールに接続され、一方側に対向する他方側で、充電装置に接続することを特徴とする。

本発明によると、ケース内において、コンデンサモジュールの周囲に、パワーモジュール、充電装置及びＤＣ／ＤＣコンバータが配置されるので、コンデンサモジュールと、パワーモジュール、充電装置及びＤＣ／ＤＣコンバータとの間の電力配線の距離を最小限とすることができる。これにより、直流電力の経路での抵抗やインダクタンスを小さくできるので、電力損失や電気ノイズを低減できる。

本発明の実施形態の電力変換装置の機能ブロック図である。 本発明の実施形態の電力変換装置の構成ブロック図である。 本発明の実施形態の電力変換装置の構成ブロック図である。

以下に、本発明の実施形態を図面を参照して説明する。

図１は、本発明の実施形態の電力変換装置１の機能ブロック図である。

電力変換装置１は、電動車両又はプラグインハイブリッド車両に備えられ、蓄電装置（バッテリ）５の電力を回転電機（モータジェネレータ）６の駆動に適した電力に変換する。負荷としてのモータジェネレータ６は、電力変換装置１から供給される電力により駆動され、車両が駆動される。

電力変換装置１は、モータジェネレータ６の回生電力を直流電力に変換して、バッテリ５を充電する。また、電力変換装置１は、車両に備えられた急速充電用のコネクタ又は普通充電用のコネクタから電力が供給されることで、バッテリ５を充電する。

バッテリ５は、例えばリチウムイオン二次電池で構成される。バッテリ５は、電力変換装置１に直流電力を供給し、電力変換装置１から供給される直流電力により充電される。バッテリ５の電圧は例えば２４０Ｖ〜４００Ｖの間で変動し、それよりも高い電圧が入力されることで、バッテリ５が、充電される。

モータジェネレータ６は、例えば永久磁石同期電動機として構成される。モータジェネレータ６は、電力変換装置１から供給される交流電力により駆動されて、車両を駆動する。車両が減速するときは、モータジェネレータ６が回生電力を発生する。

電力変換装置１は、ケース２内に、コンデンサモジュール１０、パワーモジュール２０、ＤＣ／ＤＣコンバータ３０、充電装置４０、充電・ＤＣＤＣコントローラ５０及びインバータコントローラ７０を備える。これら各部は、バスバー又は配線により電気的に接続される。

コンデンサモジュール１０は、複数のコンデンサ素子により構成される。コンデンサモジュール１０は、電圧を平滑化することで、ノイズの除去や電圧変動の抑制を行なう。コンデンサモジュール１０は、第１バスバー１１と、第２バスバー１２と、電力配線１３とを備える。

第１バスバー１１は、パワーモジュール２０に接続される。第２バスバー１２は、ＤＣ／ＤＣコンバータ３０、リレー６１、バッテリ５及び電動コンプレッサ（図示せず）に接続される。電力配線１３は、可撓性を有するケーブル（例えばリッツ線）により構成され、充電装置４０に接続される。第１バスバー１１と、第２バスバー１２と、電力配線１３とは、コンデンサモジュール１０の内部で正極と負極とを共用する。

パワーモジュール２０は、複数のパワー素子（図示せず）をＯＮ／ＯＦＦすることにより直流電力と交流電力とを相互に変換する。複数のパワー素子は、パワーモジュール２０に備えられるドライバ基板２１によりＯＮ／ＯＦＦが制御される。

パワーモジュール２０は、コンデンサモジュール１０の第１バスバー１１に接続される。第１バスバー１１は、正極及び負極からなる３組のバスバーからなる。パワーモジュール２０は、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相からなる３相の出力バスバー２４を備える。出力バスバー２４は、電流センサ２２に接続される。電流センサ２２は、モータジェネレータ６側に三相の交流電力を出力するモータ側バスバー２５を備える。

インバータコントローラ７０は、車両のコントローラ（図示せず）からの指示及び電流センサ２２からのＵ相、Ｖ相、Ｗ相の電流の検出結果に基づいて、パワーモジュール２０を動作させる信号をドライバ基板２１に出力する。ドライバ基板２１は、インバータコントローラ７０からの信号に基づいて、パワーモジュール２０を制御する。インバータコントローラ７０、ドライバ基板２１、パワーモジュール２０及びコンデンサモジュール１０により、直流電力と交流電力とを相互に変換するインバータモジュールが構成される。

ＤＣ／ＤＣコンバータ３０は、バッテリ５から供給される直流電力の電圧を変換して、他の機器へと供給する。ＤＣ／ＤＣコンバータ３０は、バッテリ５の直流電力（例えば４００Ｖ）を１２Ｖの直流電力に降圧する。降圧された直流電力は、車両に備えられるコントローラや照明、ファン等の電源として供給される。ＤＣ／ＤＣコンバータ３０は、第２バスバー１２を介してコンデンサモジュール１０及びバッテリ５に接続される。

充電装置４０は、車両に備えられる充電用の外部コネクタから普通充電コネクタ８１を介して供給される商用電源（例えば交流２００Ｖ）を直流電力（例えば５００Ｖ）に変換する。充電装置４０により変換された直流電力は、電力配線１３からコンデンサモジュール１０を介してバッテリ５に供給される。これによりバッテリ５が充電される。

充電・ＤＣＤＣコントローラ５０は、電力変換装置１によるモータジェネレータ６の駆動及びバッテリ５の充電を制御する。具体的には、充電・ＤＣＤＣコントローラ５０は、車両のコントローラからの指示に基づいて、充電装置４０による普通充電コネクタ８１を介したバッテリ５の充電、急速充電コネクタ６３を介したバッテリ５の充電及びモータジェネレータ６の駆動、ＤＣ／ＤＣコンバータ３０による降圧を制御する。

リレーコントローラ６０は、充電・ＤＣＤＣコントローラ５０の制御により、リレー６１の断続を制御する。リレー６１は、正側リレー６１ａ及び負側リレー６１ｂにより構成される。リレー６１は、充電用の外部コネクタから急速充電コネクタ６３を介して接続された場合に通電し、急速充電コネクタ６３から供給される直流電力（例えば５００Ｖ）を第２バスバー１２へと供給する。供給された直流電力によりバッテリ５が充電される。

図２及び図３は、本実施形態の電力変換装置１の構成ブロック図である。図２は電力変換装置１の上面図であり、図３は、電力変換装置１の側面図である。

ケース２の内部では、コンデンサモジュール１０の周囲に、パワーモジュール２０、ＤＣ／ＤＣコンバータ３０及び充電装置４０が配置される。

より具体的には、コンデンサモジュール１０は、ケース２の内部において、パワーモジュール２０と充電装置４０との間に配置される。コンデンサモジュール１０はＤＣ／ＤＣコンバータ３０に積層され、コンデンサモジュール１０の下方側にＤＣ／ＤＣコンバータ３０が配置される。充電装置４０は充電・ＤＣＤＣコントローラ５０に積層され、充電・ＤＣＤＣコントローラ５０の下方側に充電装置４０が配置される。

コンデンサモジュール１０の一方の側面には、第１バスバー１１が突出する。第１バスバー１１には、パワーモジュール２０が直接螺合等により接続される。パワーモジュール２０において、第１バスバー１１とは逆側に、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相からなる３相の出力バスバー２４が突出する。

出力バスバー２４には、電流センサ２２が直接螺合等により接続される。電流センサ２２の下方側（図３参照）には、モータ側バスバー２５が突出する。モータ側バスバー２５は、パワーモジュール２０の出力バスバー２４のＵ相、Ｖ相、Ｗ相それぞれに直接接続され、３相の交流電力を出力する。モータ側バスバー２５は、ケース２から露出して構成され、ハーネス等によりモータジェネレータ６に接続される。

パワーモジュール２０の上面にはドライバ基板２１が積層される。ドライバ基板２１の上方には、インバータコントローラ７０とリレーコントローラ６０とが積層して配置される。

コンデンサモジュール１０の底面側には、第２バスバー１２が突出する。第２バスバー１２は、コンデンサモジュール１０の下方に積層して配置されるＤＣ／ＤＣコンバータ３０に直接螺合により接続される。第２バスバー１２は、正側リレー６１ａ及び負側リレー６１ｂへと接続される（図１参照）。

第２バスバー１２は、バッテリ５が接続されるバッテリ側コネクタ５１と、電動コンプレッサが接続されるコンプレッサ側コネクタ５２とに、バスバー１４を介して接続される。

ＤＣ／ＤＣコンバータ３０は、バスバー３１を介して車両側コネクタ８２に接続される。車両側コネクタ８２は、ＤＣ／ＤＣコンバータ３０が出力する直流電源を車両の各部に供給するハーネス等が接続される。

コンデンサモジュール１０の第１バスバー１１とは反対の側には、電力配線１３が突出する。電力配線１３は、可撓性を有する柔軟なケーブルであり、充電装置４０に接続される。充電装置４０は普通充電コネクタ８１にバスバー４１を介して接続される。

信号線コネクタ６５は、電力変換装置１のＤＣ／ＤＣコンバータ３０、充電装置４０、充電・ＤＣＤＣコントローラ５０及びインバータコントローラ７０に接続される信号線を、ケース２の外部との間で接続する。

信号線コネクタ６５から充電・ＤＣＤＣコントローラ５０へと信号線５５が接続される。信号線５５は、充電・ＤＣＤＣコントローラ５０からリレーコントローラ６０に至る信号線６２と同梱されて、コンデンサモジュール１０の上面を通過して充電・ＤＣＤＣコントローラ５０のコネクタ５６に接続される。コンデンサモジュール１０の上面には信号線５５及び信号線６２を支持するガイド部５８が形成される。

ケース２は、上ケース２ａと下ケース２ｂとにより構成される。下ケース２ｂには冷却水流路４が形成されている。冷却水流路４には冷却水が流通するように構成されており、冷却水流路４の直上に載置されるパワーモジュール２０、ＤＣ／ＤＣコンバータ３０及び充電装置４０を冷却する。

以上のように、本発明の実施形態では、蓄電装置（バッテリ５）と負荷（モータジェネレータ６）との間で電力を変換して供給する電力変換装置１であって、バッテリ５の直流電力とモータジェネレータ６に供給する交流電力とを変換するパワーモジュール２０と、バッテリ５の直流電圧を変換するＤＣ／ＤＣコンバータ３０と、外部コネクタ（普通充電コネクタ８１）を介して供給される電力によりバッテリ５を充電させる充電装置４０と、電圧を平滑化するコンデンサを有するコンデンサモジュール１０と、パワーモジュール２０と、ＤＣ／ＤＣコンバータ３０と、充電装置４０と、コンデンサモジュール１０とを収装するケース２と、を備え、ケース２内で、コンデンサモジュール１０の周囲に、パワーモジュール２０、ＤＣ／ＤＣコンバータ３０及び充電装置４０が配置される。

このように構成することで、ケース２内でコンデンサモジュール１０と、パワーモジュール２０、ＤＣ／ＤＣコンバータ３０及び充電装置４０との距離を短くできるので、直流電力の経路での抵抗（Ｒ）やインダクタンス（Ｌ）を小さくすることができ、電力損失や電気ノイズを低減できる。さらに、ケース２内でコンデンサモジュール１０と、パワーモジュール２０、ＤＣ／ＤＣコンバータ３０及び充電装置４０との距離を短くできるので、電力変換装置１を小型化することができる。

また、本発明の実施形態の電力変換装置１では、コンデンサモジュール１０がパワーモジュール２０と充電装置４０との間に配置される。すなわち、コンデンサモジュール１０を、発熱量が多いパワーモジュール２０と充電装置４０との間に配置したので、パワーモジュール２０と充電装置４０とで互いに熱による影響を与えることを抑制できる。特に、パワーモジュール２０の動作（モータジェネレータ６の力行、回生）と、充電装置４０の動作（普通充電コネクタ８１からの電力によるバッテリ５の充電）とは同時に実行されることがないので、これらの間での熱による影響を排除することができる。

また、本発明の実施形態では、ＤＣ／ＤＣコンバータ３０は、前記コンデンサモジュール１０と積層して配置されるので、ケース２内でコンデンサモジュール１０とＤＣ／ＤＣコンバータ３０とが積層方向に隣接して配置され、電力変換装置１を小型化することができる。

また、本発明の実施形態の電力変換装置１では、コンデンサモジュール１０は、第１の端子（第１バスバー１１）、第２の端子（第２バスバー１２）及び第３の端子（電力配線１３）を備え、第１の端子がパワーモジュール２０に接続され、第２の端子がＤＣ／ＤＣコンバータ３０に接続され、第３の端子が充電装置４０に接続される。このような構成により、ケース２内でコンデンサモジュール１０と、パワーモジュール２０、ＤＣ／ＤＣコンバータ３０及び充電装置４０と電力経路を短くできるので、直流電力の経路での抵抗（Ｒ）やインダクタンス（Ｌ）を小さくすることができ、電力損失や電気ノイズを低減できると共に、電力変換装置１を小型化することができる。

また、本発明の実施形態の電力変換装置１では、第１の端子及び第２の端子はバスバー（第１バスバー１１、第２バスバー１２）であり、第３の端子は、可撓性を有するケーブル（電力配線１３）である。このような構成により、特に第３の端子を接続する経路を自由にできるので、ケース２に内での各部の配置の自由度が増し、電力変換装置１を小型化することができる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、上記実施形態は本発明の適用例の一つを示したものに過ぎず、本発明の技術的範囲を上記実施形態の具体的構成に限定する趣旨ではない。

上記実施形態では、コンデンサモジュール１０と充電装置４０との間を可撓性を有するケーブル（電力配線１３）により接続したが、これに限られない。コンデンサモジュール１０と充電装置４０との間をバスバーにより接続してもよいし、コンデンサモジュール１０と、パワーモジュール２０又はＤＣ／ＤＣコンバータ３０との間を可撓性を有するケーブルにより接続してもよい。

１ 電力変換装置
２ ケース
４ 冷却水流路
５ 蓄電装置（バッテリ）
６ 回転電機（モータジェネレータ）
１０ コンデンサモジュール
１１ 第１バスバー
１２ 第２バスバー
１３ 電力配線
２０ パワーモジュール
３０ ＤＣ／ＤＣコンバータ
４０ 充電装置
５０ 充電・ＤＣＤＣコントローラ
５１ バッテリ側コネクタ
５２ コンプレッサ側コネクタ
６０ リレーコントローラ
６１ リレー
７０ インバータコントローラ
８１ 普通充電コネクタ
８２ 車両側コネクタ

Claims (4)

1. 蓄電装置と負荷との間で電力を変換して供給する電力変換装置であって、
   前記蓄電装置の直流電力と前記負荷に供給する交流電力とを変換するパワーモジュールと、
   前記蓄電装置の直流電圧を変換するＤＣ／ＤＣコンバータと、
   外部コネクタを介して供給される交流電力を直流電力に変換して前記蓄電装置に充電させる充電装置と、
   電圧を平滑化するコンデンサを有するコンデンサモジュールと、
   前記パワーモジュールと、前記ＤＣ／ＤＣコンバータと、前記充電装置と、前記コンデンサモジュールとを収装し、冷却面を有するケースと、
   を備え、
   前記ケース内で、前記コンデンサモジュールの周囲に、前記パワーモジュール、前記充電装置及び前記ＤＣ／ＤＣコンバータが配置されると共に、前記パワーモジュールと前記充電装置との間に前記ＤＣ／ＤＣコンバータが配置され、
   前記パワーモジュールと前記ＤＣ／ＤＣコンバータと前記充電装置とは、前記冷却面の同一の面側に載置され、
   前記コンデンサモジュールは、前記パワーモジュールと前記充電装置との間に配置され、一方側で前記パワーモジュールに接続され、前記一方側に対向する他方側で、前記充電装置に接続する
   ことを特徴とする電力変換装置。
2. 請求項１に記載の電力変換装置であって、
   前記コンデンサモジュールは、第１の端子、第２の端子及び第３の端子を備え、
   前記第１の端子が前記パワーモジュールに接続され、
   前記第２の端子が前記ＤＣ／ＤＣコンバータに接続され、
   前記第３の端子が前記充電装置に接続される
   ことを特徴とする電力変換装置。
3. 請求項２に記載の電力変換装置であって、
   前記第１の端子及び前記第２の端子はバスバーであり、
   前記第３の端子は、可撓性を有するケーブルである
   ことを特徴とする電力変換装置。
4. 請求項１から３のいずれか一つに記載の電力変換装置であって、
   前記パワーモジュールと、前記ＤＣ／ＤＣコンバータと、前記充電装置と、前記コンデンサモジュールとは、前記ケース内の同一の空間内に設けられる
   ことを特徴とする電力変換装置。

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