JP5919423B1 - 電力変換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】信号線のノイズによる問題の対策を行なうと共に、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】蓄電装置と負荷との間で電力を変換する電力変換装置であって、蓄電装置の直流電力と負荷に供給される交流電力とを変換するパワーモジュールと、外部コネクタを介して供給される電力による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、を備え、パワーモジュールとコンデンサモジュールを接続する強電配線が、コンデンサモジュールの下方に配置され、コンデンサモジュールの上面に、充電装置への制御信号を伝達する弱電配線が配置される。【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、蓄電装置（バッテリ）の直流電力をインバータにより交流電力に変換してモータを駆動する。

このような電力変換装置において、コントローラや他の電気部品に電力を供給するため、バッテリの直流電力の電圧を降下させて供給するＤＣ／ＤＣコンバータを備えるもの（特許文献１参照）が知られている。

特開２０１０−２５９２７４号公報

特許文献１に記載の従来の技術において、インバータやＤＣ／ＤＣコンバータは、スイッチング素子等により、電力線に高周波ノイズが重畳しているので、ノイズが他の信号に影響を与える可能性がある。特にコントローラやセンサの信号線は電圧レベルが低いため、ノイズの影響を受ける場合がある。

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、信号線のノイズによる問題の対策を行なうことを目的とする。

本発明のある実施態様によると、蓄電装置と負荷との間で電力を変換する電力変換装置であって、蓄電装置の直流電力と負荷に供給される交流電力とを変換するパワーモジュールと、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蓄電装置を充電させる充電装置と、パワーモジュールと充電装置との間に配置され、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、蓄電装置から供給される直流電圧を変換するＤＣ／ＤＣコンバータと、パワーモジュールと、充電装置と、コンデンサモジュールと、ＤＣ／ＤＣコンバータと、を収装するケースと、ケース内において、充電装置と比較してパワーモジュールの近くに配置された信号線コネクタと、信号線コネクタから充電装置へ配線されて、充電装置を制御する信号を伝達する信号線と、を備え、パワーモジュールとコンデンサモジュールとは、コンデンサモジュールの一方の面側で強電配線され、ＤＣ／ＤＣコンバータとコンデンサモジュールとは、コンデンサモジュールの一方の面側で強電配線され、信号線は、コンデンサモジュールの一方の面とは反対の他方の面を経由して、充電装置に接続されることを特徴とする電力変換装置。

本発明によると、弱電配線と強電配線とがコンデンサモジュールによって隔離されているので、強電配線のノイズの影響を弱電配線が受けることが防止される。

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。 本発明の実施形態のコンデンサモジュールの斜視図である。

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。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２４０〜４００Ｖ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を介して接続する。

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。

このように構成された電力変換装置１は、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とが隣接して配置され、第１バスバー１１、第２バスバー１２及び電力配線１３により各部がコンデンサモジュール１０に接続される。このような構成により、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、電力の損失を少なくすることができる。

さらに、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。

次に、コンデンサモジュール１０の構成を説明する。

図４は本実施形態のコンデンサモジュール１０の斜視図である。

コンデンサモジュール１０は、コンデンサケース１１０の内部に複数のコンデンサが収容されると共に、正極及び負極からなる内部バスバーにより複数のコンデンサが電気的に接続される。コンデンサ及び内部バスバーは樹脂材料によりモールドされる。

コンデンサモジュール１０の上面には、ガイド部５８が形成されている。ガイド部５８はかぎ爪形状を有すると共に、複数のガイド部５８が互いに対応するよう形成されており、対向するガイド部５８の間に信号線５５及び信号線５７を固定する。これにより、信号線５５及び信号線５７の位置決めが成されると共に、振動や衝撃等により信号線５５及び信号線５７が移動することが防止される。

内部バスバーは、第１バスバー１１、第２バスバー１２及び電力配線１３へとそれぞれ分岐する。

第１バスバー１１は、パワーモジュール２０のＵ相、Ｖ相、Ｗ相の３相に対応する３組の正極及び負極のバスバーからなり、コンデンサケース１１０の底面から一方の側面へと突設する。

第２バスバー１２は１組の正極及び負極のバスバーからなり、コンデンサケース１１０の底面から前述の一方の側面に隣接する第２の側面へと突設する。電力配線１３は、正極及び負極を有する可撓性を有するケーブルからなり、コンデンサケース１１０の底面側に延設される。

第１バスバー１１は、ケース２に内装されている状態でコンデンサモジュール１０の一方の側面側に位置するパワーモジュール２０が備えるＵ相、Ｖ相、Ｗ相の３相に対応する端子に接する形状とされている。第１バスバー１１は、パワーモジュール２０の端子に接する状態で螺合等により端子に接続される。

第２バスバー１２は、ケース２に内装されている状態でコンデンサモジュール１０の底面側に位置するＤＣ／ＤＣコンバータ３０が備える端子に接する形状とされている。第２バスバー１２は、ＤＣ／ＤＣコンバータ３０の端子に接する状態で螺合等により端子に接続される。ＤＣ／ＤＣコンバータ３０の端子には、バスバー１４が接続される。バスバー１４は、リレー６１、バッテリ側コネクタ５１及びコンプレッサ側コネクタ５２へと接続する。

電力配線１３は、ケース２に内装されている状態でコンデンサモジュール１０の前記一方の側面に対向する側面に位置する充電装置４０が備える端子へと接続される。電力配線１３は可撓性を有するので、充電装置４０の上方に配置される充電・ＤＣＤＣコントローラ５０や、ケース２内に備えられる他の部品や構造物を避けて、充電装置４０の端子に接続する。

以上説明したように、本発明の実施形態の電力変換装置１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、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、を備え、パワーモジュール２０とコンデンサモジュール１０を接続する強電配線は、コンデンサモジュール１０の下方に配置され、コンデンサモジュール１０の上面に、充電装置４０への制御信号を伝達する弱電配線（信号線５７）が配置されるように構成した。

このような構成により、コンデンサモジュール１０の下方側に、高電圧の電力が流通する強電配線（第１バスバー１１、第２バスバー１２及び電力配線１３）が配置され、コンデンサモジュール１０の上面に、制御指令やセンサの取得信号等の低電圧（弱電）の信号が流通する弱電配線（信号線５５及び信号線５７）が配置されるので、弱電配線と強電配線との間にコンデンサモジュール１０が配置されることで、強電配線と弱電配線との間の隔離距離が十分に確保されるため、パワーモジュール２０のスイッチング素子のＯＮ／ＯＦＦにより強電配線に重畳するノイズの影響を弱電配線が受けることが防止される。

また、本発明の実施形態の電力変換装置１は、バッテリ５から供給される直流電圧を変換するＤＣ／ＤＣコンバータ３０を更に備え、コンデンサモジュール１０の下方にＤＣ／ＤＣコンバータ３０が配置されるように構成した。

このような構成により、コンデンサモジュール１０とＤＣ／ＤＣコンバータ３０との間の強電配線に重畳するノイズの影響を弱電配線が受けることが防止される。

また、本発明の実施形態の電力変換装置１は、コンデンサモジュール１０はケース２中で、パワーモジュール２０と充電装置との間に配置されると共に、ＤＣ／ＤＣコンバータ３０に積層されて配置され、信号線５５、５７は、コンデンサモジュール１０の上面を経由して、充電装置４０に接続されるように構成した。

このような構成により、信号線５５、５７と強電配線との間にコンデンサモジュール１０が配置されて、強電配線に重畳するノイズの影響を信号線５５、５７が受けることが防止されると共に、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は、コンデンサモジュール１０の上面に、信号線５５、５６を支持するガイド部５８を備えたので、振動や衝撃等により信号線５５、５６が移動することが防止される。

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
５５ 信号線
５６ コネクタ
５８ ガイド部
６０ インバータコントローラ
６１ リレー
６２ 信号線
６５ 信号線コネクタ
７０ メインコントローラ

Claims (3)

1. 蓄電装置と負荷との間で電力を変換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される交流電力とを変換するパワーモジュールと、
   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を充電させる充電装置と、
   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、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、
   前記蓄電装置から供給される直流電圧を変換するＤＣ／ＤＣコンバータと、
   前記パワーモジュールと、前記充電装置と、前記コンデンサモジュールと、前記ＤＣ／ＤＣコンバータと、を収装するケースと、
   前記ケース内において、前記充電装置と比較して前記パワーモジュールの近くに配置された信号線コネクタと、
   前記信号線コネクタから前記充電装置へ配線されて、前記充電装置を制御する信号を伝達する信号線と、
   を備え、
   前記パワーモジュールと前記コンデンサモジュールとは、前記コンデンサモジュールの一方の面側で強電配線され、
   前記ＤＣ／ＤＣコンバータと前記コンデンサモジュールとは、前記コンデンサモジュールの前記一方の面側で強電配線され、
   前記信号線は、前記コンデンサモジュールの前記一方の面とは反対の他方の面を経由して、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。
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の下方に前記ＤＣ／ＤＣコンバータが配置され、
   前記信号線は、前記信号線コネクタから、前記コンデンサモジュールの上面を経由して、前記充電装置へと接続される
   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、
   前記コンデンサモジュールの上面に、前記信号線を支持するガイド部が備えられる
   ことを特徴とする電力変換装置。

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