JP5964715B2 - 電気機器ケース及びパワーコントロールユニット - Google Patents

Description

本発明は、内部に電子部品を収容する電気機器ケース、及び、電気機器ケースを使ったパワーコントロールユニットに関する。本明細書が開示するパワーコントロールユニットは、典型的には、電気自動車のモータを制御するデバイスであり、インバータ回路を含むデバイスである。ここで、「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。

自動車のエンジンコンパートメントの狭い空間には多数のデバイスを搭載する必要があるため、各デバイスにはコンパクト性が求められる。近年、ハイブリッド車を含む電気自動車が普及しているが、電気自動車は、インバータ、電圧コンバータ、各種制御装置、冷却器用の電動ポンプなど、多数の電気デバイスを搭載するため、一層、各デバイスに小型化が求められる。なお、ここでは、エンジンを備えない電気自動車においてモータ等を格納する車両空間も便宜上「エンジンコンパートメント」と称する。

電子部品を収納する電気機器ケースについてもケース内を有効に活用して収納効率を向上させる技術が求められており、特許文献１にその一例が開示されている。特許文献１に開示された電気機器ケースは、上側が開口したケース下部と下側が開口したケース上部の２部品からなり、電子部品を実装した基板がケース下部とケース上部に挟まれている。特許文献１の技術によれば、基板の大きさをケース断面まで確保できるので、ケースサイズに比べて比較的に大きな基板を収容することができる。

特開２００７−３３５５１８号公報

特許文献１に開示された電気機器ケースは、基板がケース内空間を上下に二分する形となり、ケース内の高さ方向の空間を有効に使っている。ケース内空間をさらに有効に使おうとすると、例えば、ケース内を上下二分する隔壁を設け、様々な電子部品を、ケースの底や隔壁の上面だけでなく、隔壁の下面にまで取り付けることが考えられる。そうすると、ケースをケース上部とケース下部に二分し、ケース下部に電子部品を配置するとともに、ケース上部には内部を上下に二分する隔壁を設け、その隔壁の上側と下側の夫々に電子部品を配置することになる。電子部品同士は導体（バスバ）で連結する必要があるが、場合によっては、上記のケース上部とケース下部を組み付けた後にケース下部に取り付けられた部品とケース上部の隔壁下側に取り付けられた部品とを接続する必要が生じる。ここで、隔壁に孔を設けてその孔を通じてボルトで部品を締結する作業において、誤ってボルトがケース下部の底に落ちてしまうと取り出すことが面倒となる。本明細書は、内部を有効に使うことができる電気機器ケースであって、部品の取り付け作業性を高める技術を提供する。

以下、電気機器ケースを単純にケースと称する。本明細書が開示するケースの一実施形態は、ケース上部とケース下部の少なくとも２部品で構成されている。ケース上部には、ケース上部内の空間を上下に二分する隔壁が設けられている。また、隔壁下側とケース下部の夫々に電子部品を取り付け可能である。そして、隔壁には、ボルト挿通孔と筒部が設けられている。ボルト挿通孔は、ケース上部とケース下部を組み合わせたときに隔壁下側に取り付けられた第１電子部品から延びるバスバをケース下部に取り付けられた第２電子部品に固定するボルト孔の上方に位置するように設けられている。なお、ボルト孔は、第２電子部品に設けられる。筒部は、ボルト挿通孔周縁に設けられており、ボルト挿通孔周縁から下方に向かって上記のボルト用の孔側まで延びている。

上記構成を有するケースは、ケース上部と下部を組み合わせた後に第１電子部品から延びるバスバを第２電子部品に取り付ける必要がある。隔壁に設けられたボルト挿通孔を通じて、バスバ固定用のボルトをボルト孔へ入れることができる。ボルトを固定する際に誤ってボルトがボルト孔から外れたとしても、ボルトの周囲は筒部で囲まれているのでケース下部の底までボルトが落ちることがなく、簡単に拾うことができる。上記構成のケースは、隔壁の上側と下側にも電子部品を取り付けることができ、ケース内空間を立体的に利用するので空間を有効に使うことができる。上記のケースは、同時に、隔壁下側の空間においてボルトでバスバを固定する際にボルトを取り落としても筒部がケース下部の底までボルトが落下することを防止するので簡単に拾うことができ、作業性に優れている。隔壁に設けられた筒部は、また、隔壁の強度向上にも寄与する。なお、筒部の下端は、厳密にボルト孔の周囲平面まで延びている必要はなく、周囲平面との間にボルトが通過できない程度にまで周囲平面に接近していればよい。

第２電子部品は、基板やコンデンサなどであるが、バスバを固定する端子台でもよい。第１部品は、別の端子台でもよく、あるいは、リアクトルやコンデンサなどの部品であってもよい。

本明細書は、また、上記構造のケースを使った電気自動車のモータ制御用のパワーコントロールユニットも提供する。そのパワーコントロールユニットは、ケース下部にリアクトルとスイッチング素子が配置されており、ケース上部の隔壁より上に、スイッチング素子を制御する基板が配置されている。隔壁はリアクトルとスイッチング素子が発する熱を遮断し、基板を熱から保護する。

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。

電気自動車の電力系のブロック図である。 実施例の電気機器ケースを用いたパワーコントロールユニットの断面図である。 ボルト取り付け作業を説明する断面図である。

図面を参照して実施例の電気機器ケース６と、そのケースを使ったパワーコントロールユニット２（ＰＣＵ）を説明する。パワーコントロールユニット２は、走行用に２個のモータを備える電気自動車に搭載され、バッテリの電力を使って２個のモータに交流電力を供給するデバイスである。以下、電気機器ケース６を単純にケース６と称し、パワーコントロールユニット２をＰＣＵ２と称する。

ケース６の説明に先立って、電気自動車９０の電力系を説明する。図１に電力系のブロック図を示す。電気自動車９０は、走行用に２個のモータ６１、６２を有する。ＰＣＵ２は、バッテリ５２の出力電圧を昇圧するとともに、その直流電力を走行に適した周波数の交流電力に変換してモータ６１、６２に出力する。即ち、ＰＣＵ２は、電圧コンバータ回路５６と、２個のインバータ回路５７ａ、５７ｂを備える。また、電圧コンバータ回路５６の入力側と出力側に、電流平滑用のコンデンサ１６、１７が接続されている。なお、コンデンサ１６は、電圧コンバータ回路５６に入力される電流のノイズをフィルタリングする機能を有するのでフィルタコンデンサと呼ばれることもある。

電圧コンバータ回路５６は、トランジスタ５８とダイオード５９の逆並列接続で構成されるスイッチング回路が２個直列に接続したスイッチング直列回路５１ｇと、リアクトル１８で構成される。トランジスタは典型的にはＩＧＢＴであるが、ＭＯＳＦＥＴなど他のタイプのトランジスタで構成される場合もある。図１の電圧コンバータ回路５６の構成は、図の左側（バッテリ側）から右側（インバータ回路側）に向けて電圧を昇圧することができ、また、図の右側から左側に向けて電圧を降圧することができる。電圧コンバータ回路５６は、車両の減速エネルギを利用してモータが発電した電力をバッテリに適した電圧まで降圧する。なお、モータ６１、６２が発電した交流電力はインバータ回路５７ａ、５７ｂが直流に変換してから電圧コンバータ回路５６に入力される。

第１のインバータ回路５７ａは、電圧コンバータ回路５６のスイッチング直列回路５１ｇと同じ構成のスイッチング直列回路５１ａ、５１ｂ、５１ｃが３個並列に接続された構成を有している。第２のインバータ回路５７ｂも同様に、スイッチング直列回路５１ｄ、５１ｅ、５１ｆが３個並列に接続された構成を有している。それぞれのスイッチング直列回路の中間点から交流が出力される。

第１、第２のインバータ回路５７ａ、５７ｂ、及び、電圧コンバータ回路５６のスイッチングは、コントローラ３２から供給されるＰＷＭ信号により駆動される。コントローラ３２は、不図示のアクセル開度や車速などからモータ６１、６２が出力すべきパワー（目標出力電力）を決定し、目標出力電力が実現するようにＰＷＭ信号を生成する。コントローラ３２の実態は、ゲートアレイやコンデンサや抵抗などの電子素子が実装された回路基板３１（後述）である。図１に示すインバータ回路や電圧コンバータ回路の構成はよく知られているので詳しい説明は省略する。

図１に示すそれぞれのスイッチング直列回路は、別言すれば、２個のトランジスタが直列に接続しているとともに、それぞれのトランジスタにダイオードが逆並列に接続した構成を有している。このスイッチング直列回路の一つひとつが、後述する平板型の複数の半導体モジュール（後述）の夫々に収められている。

ＰＣＵ２のケースとケース内部のレイアウト構成を説明する。図２に、ＰＣＵ２の断面図を示す。なお、図２（及び図３）に示した座標系は、Ｚ軸の正方向が上方を示す。ＰＣＵ２のハードウエアとしての主要な部品は、回路基板３１、コンデンサ１６、１７、リアクトル１８、及び、インバータ素子１０である。回路基板３１には、前述したコントローラ３２を実現するための電子部品が実装されている。コンデンサ１６、１７、及び、リアクトル１８の機能は、先に説明した通りである。ＰＣＵ２は電気自動車の走行用モータに電力を供給するデバイスであるため、扱う電流が大きく、そのため、コンデンサやリアクトルのサイズも大きい。

インバータ素子１０は、前述したスイッチング直列回路（２個のトランジスタと２個のダイオードで構成される回路）をモールドした複数の半導体モジュールと平板型の複数の冷却プレートを積層したデバイスである。それぞれの半導体モジュールはその両側を冷却プレートに挟まれる。インバータ素子１０は、発熱量の多い半導体素子（スイッチング回路を構成するトランジスタとダイオード）を集約し、それらを集中して冷却する冷却構造を有している。なお、図２、図３では、積層構造の図示は省略し、インバータ素子１０を単純に矩形で表している。インバータ素子１０の一端には冷媒を供給する供給管と排出管（符号１４が示すパイプ）が取り付けられている。供給管から供給された冷媒は冷却プレート内を流れ、隣接する半導体モジュールから熱を奪った冷媒は、排出管を通じてインバータ素子１０の外部へと排出される。

上述した部品を収めるケース６は、ケース下部５、ケース上部４、及び、カバー３の３部品で構成される。ケース下部５は底を有する容器状に形成されている。ケース上部４は、枠状に形成されているとともに、内部空間を上下に二分する隔壁８が設けられている。ケース下部５の上にケース上部４を組み付け、その上にカバー３を組み付けてケース６の全体が完成する。ケース下部５とケース上部４、及び、ケース上部４とカバー３は、不図示のボルトで締結される。

ケース下部５には、インバータ素子１０とリアクトル１８、及び、コンデンサ１７が固定される。ケース上部４では、隔壁８の下側にコンデンサ１６が固定され、上側には回路基板３１が固定される。回路基板３１は、隔壁８の上側に一体に設けられたスペーサ８ｃを介して固定される。

図１で示したように、コンデンサ１６とリアクトル１８は電気的に接続される。図２のハードウエアの観点からは、コンデンサ１６とリアクトル１８はバスバ９で連結される。「バスバ」は、電気信号や電力を伝えるための細長金属板であり、ワイヤなどの導線よりも内部抵抗が小さいため、大電流を流す際に採用される。リアクトル１８の上には端子台２１が固定されており、コンデンサ１６から延びるバスバ９は、端子台２１に連結される。端子台２１の内部からリアクトル１８までは、不図示の別のバスバで連結される。リアクトル１８と端子台２１はケース下部５に固定され、コンデンサ１６はケース上部４に固定されるので、バスバ９と端子台２１は、ケース上部４をケース下部５に固定してから固定する必要がある。バスバ９と端子台２１は、ボルト７で締結されるが、そのためにＰＣＵ２のケース６には隔壁８にボルト挿通孔８ａと筒部８ｂが設けられている。

図３を参照して、ボルト挿通孔８ａと筒部８ｂの構造と機能を説明する。図３は、ケース下部５にケース上部４を組み付けた後であり、回路基板３１とカバー３を組み付ける前の状態を示している。

ボルト挿通孔８ａは、ケース上部４をケース下部５に組み付けたときに、端子台２１に設けられたボルト孔２１ａの上方に位置するように設けられている。ボルト挿通孔８ａの大きさは、ボルト７が余裕で通る大きさである。また、隔壁８には、ボルト挿通孔８ａの周縁から下方に伸びる筒部８ｂが設けられている。筒部８ｂは、ボルト孔２１ａの開口近傍まで延びている。別言すれば、筒部８ｂは、ボルト挿通孔８ａの周縁からボルト用の孔側まで延びている。より正確には、筒部８ｂは、ボルト孔２１ａの周囲の平面との間に、ボルト７が通過できない幅の隙間Ｇを隔てる位置まで延びている。

ＰＣＵ２の組み立て手順を説明するとともに、ボルト挿通孔８ａと筒部８ｂの利点を説明する。図３に示すように、ケース下部５にインバータ素子１０、リアクトル１８、端子台２１、及び、コンデンサ１７を取り付け、ケース上部４にコンデンサ１６を取り付けた後、ケース上部４をケース下部５に取り付ける。このとき、コンデンサ１６から延びるバスバ９の先端は端子台２１のボルト孔２１ａの上に位置する。また、ボルト孔２１ａの上方にボルト挿通孔８ａが位置する。

ボルト挿通孔８ａが設けてあるので、ケース上部４をケース下部５に組み付けた後に、隔壁８の下側に固定されたコンデンサ１６から延びるバスバ９とケース下部５に固定されたリアクトル１８（端子台２１）を締結するボルト７を端子台２１のボルト孔２１ａまで運ぶことができる。ボルト挿通孔８ａを通じてボルト７をボルト孔２１ａに螺合し、バスバ９が固定される。このとき、仮にボルト７を取り落としても、ボルト挿通孔８ａの周縁からボルト孔２１ａまでの空間は筒部８ｂで囲まれているので、ボルト７がケース下部５の底まで落下することはない。なお、先に述べたように、筒部８ｂの下端とボルト孔２１ａの周囲の平面との間の隙間Ｇはボルトが通れない幅である。仮にボルト７を取り落としても、筒部８ｂとボルト孔周囲平面とで囲まれる範囲にボルトは留まるため、簡単に拾い上げることができる。

バスバ９を締結した後、回路基板３１を隔壁８の上面に取り付け、最後にカバー３を取り付けてＰＣＵ２が完成する。

上記の通り、ＰＣＵ２のケース６は、ケース下部５とケース上部４（及びカバー３）とに分かれている。ケース上部４は枠形状であり、その内部空間を二分する隔壁が設けられている。ケース下部５に電子部品を取り付けるだけでなく、ケース上部４の隔壁の上面と下面にも電子部品を取り付けるので、ケース内空間を有効に使うことできる。また、ケース下部５に取り付けた部品（リアクトル１８、端子台２１）と、ケース上部４の隔壁下面に取り付けた部品（コンデンサ１６）を電気的に接続するバスバをケース上部と下部を組み合わせた後に締結できるように、隔壁８にはボルト挿通孔８ａが設けられている。さらに、ボルト挿通孔８ａを通してボルト７を入れる際、仮にボルト７を取り落としたとしても、ボルト挿通孔８ａの周縁から下方に伸びている筒部８ｂがケース底へのボルトの落下を防止するのでボルトを拾い上げ易いという利点がある。すなわち、実施例のケース６は、組み立て作業性に優れている。

筒部８ｂは、上記の機能の他にも、隔壁８の強度を高めるという利点も有する。

実施例で説明した技術の留意点を述べる。実施例の電気機器ケース６は、ケース下部５、ケース上部４、及び、カバー３の３個に分割可能である。本明細書が開示する技術は、上下に２個以上に分割可能なケースに適用することができる。本明細書では、「ケース下部」、「ケース上部」とは次の意味で用いている。ボルト挿通孔を通じてケース下部の内部でボルトを締結するときに下側に位置するケースを「ケース下部」と称し、上側に位置するケースを「ケース上部」と称する。

実施例の電気機器ケース６では、ケース下部５と上部４を組み合わせた後に、ケース上部の隔壁下側に固定されるコンデンサ１６から延びるバスバ９と、ケース下部に固定されるリアクトル１８（端子台２１）をボルト７で連結する必要があった。ケース下部５とケース上部４を組み合わせた後に連結する必要がある電子部品は、上記の部品に限られない。

実施例で説明したＰＣＵ２は、平板型の複数の半導体モジュールと複数の冷却プレートを交互に積層したインバータ素子１０を内蔵している。積層タイプのインバータ素子１０は一例であり、本明細書が開示する技術は、積層タイプのインバータ素子を内蔵したＰＣＵ（パワーコントロールユニット）用のケースに限られるものではない。

また、実施例で説明した電気自動車は走行用のモータを２個備える。本明細書が開示する技術は、走行用のモータを２個備える電気自動車に限られない。本明細書が開示する技術は、走行用のモータを１個だけ備える電気自動車や３個以上備える電気自動車に適用することもできる。また、本明細書における「電気自動車」には、走行用にモータとエンジンの双方を備えるハイブリッド車を含む。すなわち、本明細書が開示する技術は、ハイブリッド車に適用することも好適である。

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：パワーコントロールユニット（ＰＣＵ）
３：カバー
４：ケース上部
５：ケース下部
６：電気機器ケース
７：ボルト
８：隔壁
８ａ：ボルト挿通孔
８ｂ：筒部
８ｃ：スペーサ
９：バスバ
１０：インバータ素子
１６、１７：コンデンサ
１８：リアクトル
２１：端子台
２１ａ：ボルト孔
３１：回路基板
３２：コントローラ
５１ａ−５１ｇ：スイッチング直列回路
５２：バッテリ
５６：電圧コンバータ回路
５７ａ、５７ｂ：インバータ回路
５８：トランジスタ
５９：ダイオード
６１：モータ
９０：電気自動車
Ｇ：隙間

Claims (3)

1. ケース上部とケース下部の少なくとも２部品で構成されている電気機器ケースであり、
   ケース上部に、ケース上部内の空間を上下に二分する隔壁が設けられており、
   隔壁下側とケース下部に電子部品を取り付け可能であり、
   前記隔壁にボルト挿通孔が設けられており、前記ボルト挿通孔は、ケース上部とケース下部を組み合わせたときに隔壁下側に取り付けられた第１電子部品から伸びるバスバをケース下部に取り付けられた第２電子部品に固定するボルト用の孔の上方に位置しており、
   前記隔壁には、さらに、ボルト挿通孔周縁からボルト用の孔側まで延びている筒部が設けられていることを特徴とする電気機器ケース。
2. 第２電子部品はバスバを固定する端子台であることを特徴とする請求項１に記載の電気機器ケース。
3. 前記電気機器ケースを使った電気自動車のモータ制御用のパワーコントロールユニットであり、
   ケース下部にリアクトルとスイッチング素子が配置されており、
   ケース上部の隔壁のより上に、スイッチング素子を制御する基板が配置されることを特徴とするパワーコントロールユニット。

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