JP5919424B1 - コンデンサモジュール - Google Patents

Abstract

【課題】接続される他の電気部品の位置の自由度を大きくできるコンデンサモジュールを提供することを目的とする。【解決手段】電圧を平滑化するコンデンサモジュールであって、略直方体のコンデンサケースと、コンデンサケースの周囲へと突設される複数のバスバーと、コンデンサケースから引き出される可撓性を有する強電配線と、備え、バスバー及び強電配線に、それぞれ複数の電子機器が接続される。【選択図】図１

Description

本発明は、電力を平滑化するコンデンサモジュール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には、コンデンサモジュールやパワーモジュール等の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、コンデンサ素子に正極及び負極のバスバーを接続し、スイッチングパワー素子に接続する平滑コンデンサモジュールを用いた電力変換装置（特許文献１参照）が開示されている。

特開２００８−０９９３９７号公報

特許文献１に記載の従来の技術は、コンデンサモジュールがバスバーを備え、バスバーに他の電子部品を接続する構成であった。このような構成では、他の電子部品の位置がバスバーの形状により決定されてしまうため、部品の配置や仕様変更における自由度が低くなっていた。そのために、装置の小型化に制限があった。

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、接続される他の電気部品の配置の自由度を大きくできるコンデンサモジュール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、直流電圧を平滑化するコンデンサモジュールは、略直方体のコンデンサケースと、コンデンサケースの周囲へと突設される複数のバスバーと、コンデンサケースから引き出される可撓性を有する電力配線と、を備え、バスバーは、駆動用電源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、駆動用電源から供給される直流電圧を変換するＤＣ／ＤＣコンバータとに接続され、電力配線は、外部コネクタを介して供給される、駆動用電源と比較して低電圧の商用電力を直流電力に変換して駆動用電源に充電させる充電装置に接続され、バスバーは、平面視において、コンデンサケースの一方の面側に突設され、電力配線は、コンデンサケースの一方の面とは異なる他方の面側に延設され、パワーモジュールと充電装置との間に隣接して配置されることを特徴とする。

本発明によると、コンデンサモジュールは、バスバーと可撓性を有する強電配線とを備えたので、大きな電流を必要とする電子機器に対してはバスバーで接続し、その他の電子機器に対しては可撓性を有する強電配線で接続することで、配置の自由度を大きくできる。これにより、コンデンサモジュールが配置される機器（例えば電力変換装置）を小型化することができる。

本発明の実施形態のコンデンサモジュールが適用される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コンデンサモジュールが適用される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が適用される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上面斜視図である。 本発明の実施形態のコンデンサモジュールの底面斜視図である。 本発明の実施形態のコンデンサモジュールの内部バスバーの説明図である。

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コンデンサモジュールが適用される電力変換装置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、また、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。

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４Ａは本実施形態のコンデンサモジュール１０の上面斜視図であり、図４Ｂは本実施形態のコンデンサモジュール１０の底面斜視図である。

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１３０（５参照）により複数のコンデンサ素子が電気的に接続される（図示せず）。コンデンサ素子及び内部バスバー１３０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６２を固定する。これにより、信号線５５及び信号線６２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６２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される。

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の側面へと突設される。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である。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連結される。

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である。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連結される。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へと接続される。

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の一方の側面に対向する他方の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の端子に接続される。

図５は、本発明の実施形態のコンデンサモジュール１０の内部バスバー１３０の説明図である。

内部バスバー１３０は、略平板状に形成された正極側内部バスバー１３１及び負極側内部バスバー１３２により構成される。正極側内部バスバー１３１及び負極側内部バスバー１３２の端部には、第１バスバー１１及び第２バスバー１２が形成されると共に、電力配線１３が接続される。

正極側内部バスバー１３１及び負極側内部バスバー１３２は、コンデンサケース１１０内で互いに対向して積層されて配置されている。正極側内部バスバー１３１と負極側内部バスバー１３２との間には絶縁シート１３８が介装されており、正極側内部バスバー１３１と負極側内部バスバー１３２との間を絶縁する。

正極側内部バスバー１３１にはコンデンサ素子を接続するための端子部１３４が形成されると共に、貫通部１３６が穿設される。貫通部１３６には、負極側内部バスバー１３２に形成された端子部１３５が配置される。コンデンサ素子の正極及び負極は、端子部１３４と端子部１３５とにそれぞれ接続される。

このように、コンデンサモジュール１０は、その内部で正極側内部バスバー１３１と負極側内部バスバー１３２とが対向して配置されると共に正極側内部バスバー１３１と負極側内部バスバー１３２との間に絶縁シート１３８を介装して構成した。このような構成により、コンデンサモジュール１０におけるインダクタンス（Ｌ）を低減することができる。

以上のように、本発明の実施形態のコンデンサモジュール１０は、電圧を平滑化するコンデンサモジュール１０であって、略直方体のコンデンサケース１１０と、コンデンサケース１１０の周囲へと突設される複数のバスバー（第１バスバー１１、第２バスバー１２）と、コンデンサケース１１０から引き出される可撓性を有する強電配線（電力配線１３）と、を備え、第１バスバー１１、第２バスバー１２及び電力配線１３に、それぞれ複数の電子機器（パワーモジュール２０、ＤＣ／ＤＣコンバータ３０、充電装置４０）が接続されるように構成した。

このように、第１バスバー１１、第２バスバー１２と電力配線１３とを備えたので、大きな電流を必要とする電子機器に対しては第１バスバー１１、第２バスバー１２によって接続し、その他の電子機器に対しては可撓性を有する電力配線１３で接続することで、コンデンサモジュール１０を中心としたレイアウトの自由度を大きくできる。これにより、コンデンサモジュールが適用される機器（例えば電力変換装置１）を小型化することができる。

また、本発明の実施形態のコンデンサモジュール１０は、バッテリ５の直流電力と負荷（モータジェネレータ６）に供給される交流電力とを変換するパワーモジュール２０に接続される第１バスバー１１と、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に接続される第２バスバー１２と、を含み、電力配線１３は、外部コネクタ（普通充電コネクタ８１）を介して供給される交流電力を直流電力に変換してバッテリ５に充電させる充電装置４０に接続されるように構成した。

このような構成により、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との電力経路を短くできるので、コンデンサモジュール１０における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。

また、本発明の実施形態のコンデンサモジュール１０は、第１バスバー１１及び第２バスバー１２は、前記コンデンサケース１１０の一方の側へと突設し、電力配線１３は、コンデンサケース１１０の他方の側から延設するように構成した。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。また、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
１１０ コンデンサケース
１３０ 内部バスバー
１３８ 絶縁シート

Claims (1)

1. 電圧を平滑化するコンデンサモジュールであって、
   略直方体のコンデンサケースと、
   前記コンデンサケースの周囲へと突設される複数のバスバーと、
   前記コンデンサケースから引き出される可撓性を有する電力配線と、
   を備え、
   前記バスバーは、駆動用電源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、前記駆動用電源から供給される直流電圧を変換するＤＣ／ＤＣコンバータとに接続され、
   前記電力配線は、外部コネクタを介して供給される、前記駆動用電源と比較して低電圧の商用電力を直流電力に変換して前記駆動用電源に充電させる充電装置に接続され、
   前記バスバーは、平面視において、前記コンデンサケースの一方の面側に突設され、
   前記電力配線は、前記コンデンサケースの前記一方の面とは異なる他方の面側に延設され、
   前記パワーモジュールと前記充電装置との間に隣接して配置される
   ことを特徴とするコンデンサモジュール。

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