JP6042004B1 - インバータ装置に用いる高圧ユニット及びこれを用いたインバータ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】生産性の向上や品質の確保に有利なインバータ装置に用いる高圧ユニット及びこれを用いたインバータ装置を提供する。【解決手段】冷却部３と、高圧系のパワー部１０とを備えており、１ユニットの高圧ユニット１０に冷却部３及びパワー部１０を含んでおり、１ユニット分の高圧ユニット１は１車輪分のモータに対応した独立したユニットとして完結しており、複数の車輪分の各モータに対して、前記１ユニット分の高圧ユニット１をモータの個数分用いることにより、各高圧ユニット１を複数の車輪分の各モータ用の高圧ユニット１として使用可能である。このことにより、高圧ユニット１の取付作業が単純化され、生産性の向上及び品質確保に有利になることに加え、ボックスに組み込む場合は組み込む前に高圧ユニット１単体で検査が可能になり、このことも生産性向上に有利になる。【選択図】図１

Description

本発明は、電気自動車のモータ駆動に用いられるインバータ装置に用いる高圧ユニット及びこれを用いたインバータ装置に関する。

電気自動車のモータ駆動に用いられるインバータは、水冷却部、パワーモジュール、電流センサ、パワーモジュール駆動用制御基板（ドライバー基板）及びコンデンサなどを備えた高圧系と、モータ制御部を備えた低圧系とで主要部が構成されている。インバータには直流電源であるバッテリから電力が供給され、インバータは直流を３相交流に変換するとともに、運転操作（アクセル等）、走行状態及びモータの回転速度に基づいて、３相交流の電流値を制御してモータのトルクを制御する。

例えばインホイールモータ車では、左右輪に対応した各モータの駆動力・制動力を独立して制御するため、各モータにインバータが必要である。特許文献１には、それぞれインバータ回路を内蔵した２つのパワーモジュールを１つの筐体内に収容した電力変換装置が開示されている。

特開２０１２−１００５３２号公報

しかしながら、特許文献１の構成は、筐体内に組み込んで初めて装置としての機能を発揮するため、筐体内に組み込む前に装置の機能・性能を確認するのは困難であり生産性向上に不利であるとともに、品質確保の点でも不利であった。

本発明は、前記のような従来の問題を解決するものであり、生産性の向上や品質の確保に有利なインバータ装置に用いる高圧ユニット及びこれを用いたインバータ装置を提供することを目的とする。

前記目的を達成するために、本発明のインバータ装置に用いる高圧ユニットは、電気自動車の車輪駆動用のモータを駆動するインバータ装置に用いる高圧ユニットであって、冷却部と、高圧系のパワー部とを備えており、１ユニットの高圧ユニットに前記冷却部及び前記パワー部を含んでおり、前記１ユニット分の高圧ユニットは１車輪分のモータに対応した独立したユニットとして完結しており、複数の車輪分の各モータに対して、前記１ユニット分の高圧ユニットをモータの個数分用いることにより、前記各高圧ユニットを複数の車輪分の各モータ用の高圧ユニットとして使用可能であることを特徴とする。

この構成によれば、１ユニット分の高圧ユニットは１車輪分のモータに対応した独立したユニットとして完結しているので、インバータ装置に対応するモータが複数であっても、各モータに対応する高圧系の部品は、同一の高圧ユニットをモータの数と同じ個数だけ用意するだけでよく、複数の高圧ユニットの取付作業は、同一の取付作業を繰り返すだけでよく、取付作業の単純化により生産性の向上に有利になる。また、取付作業の単純化は組立品の品質確保に有利になることに加え、高圧ユニット自体の品質についても、１種類の高圧ユニットについて品質を確保しておけばよいので、品質確保に有利になる。

また、１ユニット分の高圧ユニットが１車輪分のモータに対応した独立したユニットとして完結していることにより、高圧ユニット１個分のみで高圧ユニット１個分の検査が完結する。すなわち、高圧ユニットをボックスに収容する場合は、左右の車輪分の高圧ユニットがそれぞれそれボックスに組み込まれて初めて検査が可能になるのではなく、ボックスに組み込む前に１つの高圧ユニット単体で検査が可能になる。このため、高圧ユニットをボックスに組み込む前の開放状態で検査が可能になり、このことも生産性向上に有利になる。

さらに、１ユニット分の高圧ユニットに１車輪分のモータ駆動に必要なパワー部とこれを冷却する冷却部とが集約されているので、高圧ユニットは小型化が可能になり、容積及び重量の削減に有利になる。高圧ユニットの小型化は、あわせて高圧ユニットをボックスに収容する場合のボックスの小型化にもなる。

前記本発明のインバータ装置に用いる高圧ユニットにおいては、前記１ユニット分の高圧ユニットは、少なくとも冷却機能とインバータ機能とを発揮でき、かつ前記両機能を検査可能なユニットとして完結していることが好ましい。この構成によれば、１ユニット分の高圧ユニットは、最終的な組立品であるインバータ装置に求められる主要な機能を発揮できることに加え、かつ検査可能に完結しており、前記本発明のインバータ装置に用いる高圧ユニットで実現できる生産性の向上や品質の確保が一層有利になる。

また、前記高圧ユニットに、高圧ケーブルを接続するためのバスバーが前記高圧ユニットの端部に並列的に配置されていることが好ましい。この構成によれば、高圧ユニットをボックスに収容する場合は、ボックスの外部から配線孔を挿通させた直後の高圧ケーブルの端子をバスバーに接続可能であり、ボックス内に特別な配線スペースは不要になり、ボックス内の限られた空間を有効活用でき、ボックスの大型化を防止することができる。

本発明のインバータ装置は、前記各本発明のインバータ装置に用いる高圧ユニットを備えるインバータ装置であって、前記高圧ユニットがボックス内に収容されていることを特徴とする。この構成によれば、前記のとおり本発明に係る高圧圧ユニットは小型化が可能になるので、これを収容するボックスも小型化できるとともに、１ユニット分の高圧ユニットは、１車輪分のモータ駆動に必要な高圧ユニットとして完結しているので、ボックス内の高圧ユニットのレイアウトやスペース確保が容易になり、このこともボックスの小型化に役立ち、あわせてボックス内の配線処理が容易になる。

前記本発明のインバータ装置においては、複数の車輪分の各モータの個数分に対応した前記高圧ユニットが、１つの前記ボックス内に収容されていることが好ましい。この構成によれば、高圧ユニット毎にボックスに収容する構成と比べると、ボックスが一体化することにより小型、軽量、低コスト化が図られる。また、ボックス間の仕切り無くなることにより、コネクタ取り付け面及びコネクタ取り付け孔がなくなり、配線（信号線、高圧線）及びコネクタが削減され、このことによっても小型、軽量、低コスト化が図られる。あわせて、配線及びコネクタの削減は、配線不良による不具合を排除でき、品質の確保に有利になる。

また、前記本発明のインバータ装置においては、前記ボックスの底面側に開口が形成されており、前記高圧ユニットの構成部品の搭載側を前記ボックス内に向けて通過させた状態で、前記高圧ユニットを前記ボックスの外部から前記ボックスに固定できるように構成されていることが好ましい。この構成によれば、ボックスの外部から高圧ユニットを固定できるので、固定作業が容易になり、生産性向上により有利になる。

本発明の効果は前記のとおりであり、要約すれば、本発明によれば高圧ユニットの取付作業の単純化により生産性の向上に有利になり、インバータ装置の組立品の品質確保に有利になる。また、高圧ユニット自体の品質確保にも有利になることに加え、高圧ユニットをボックスに収容する場合は、ボックスに組み込む前に高圧ユニット単体で検査が可能になり、このことも生産性向上に有利になる。さらに、１ユニット分の高圧ユニットに１車輪分のモータ駆動に必要なパワー部とこれを冷却する冷却部とが集約されているので、高圧ユニットは小型化が可能になる。

本発明の一実施形態に係る高圧ユニットの斜視図。 図１に示した高圧ユニットを裏面側から見た斜視図。 本発明の一実施形態に係るボックスの斜視図。 図３に示したボックスを底面側から見た斜視図。 図４の状態からボックスに２ユニット分の高圧ユニットを取り付けた状態を示した斜視図。 本発明の一実施形態において、ボックスに２ユニット分の高圧ユニットを取り付けた状態をボックスの上側から見た斜視図。 本発明の一実施形態において、ボックスに２ユニット分の高圧ユニットを取り付けた状態を真上から見た平面図。 本発明の一実施形態において、高圧ケーブルを高圧ユニットに接続する様子を示す拡大斜視図。 本発明の一実施形態において、高圧ケーブルを配線孔に挿通させた後のボックス内の状態を示す要部斜視図。 本発明の一実施形態において、高圧ケーブルと高圧ユニットとの接続が完了した状態のボックスの斜視図。 本発明の一実施形態において、電磁遮蔽板及び仕切り板を取り付ける前の状態を示す斜視図。 本発明の一実施形態において、モータ制御部を組み立てる前の状態を示す斜視図。 本発明の一実施形態において、カバーを取り付ける前の状態を示す斜視図。 本発明の一実施形態に係るインバータ装置の完成状態を示す斜視図。

以下、本発明の一実施形態について、図面を参照しながら説明する。本実施形態に係るインバータ装置は、電気自動車用のインバータ装置の例で説明し、本実施形態に係る高圧ユニットは、このインバータ装置に用いるものである。図１は、本発明の一実施形態に係る高圧ユニット１の斜視図であり、図２は図１に示した高圧ユニット１を裏面側から見た斜視図である。詳細は後に説明するとおり、高圧ユニット１は冷却部３と高圧系のパワー部１０とが組み立てられたものである。本実施形態では、高圧ユニット１をボックス２０内に収容したもの（図１４参照）をインバータ装置２という。

冷却部３は、水冷ジャッケット４に、水管接続用の水栓５が取り付けられたものである。水冷ジャッケット４の内部には、図２に示したように水路６が構成されており、水路６には水栓５に取り付けた水供給管からの冷却水が流動する。水路６の途中には冷却水溜まり部７が形成されており、図１に示したように冷却水溜まり部７は水冷ジャッケット４の表面側から延出している。この延出部にパワー部１０を構成するパワーモジュール１１の発熱部が対応しており、パワーモジュール１１が冷却されるようになっている。

図１において、パワー部１０は、主にパワーモジュール１１、ドライバ基板１２及びコンデンサ１３で構成されており、これらの付属部品としてバスバー１６及び電流センサ１８を備えている。バスバー１６は、高圧ケーブル４０（図８参照）に接続するための部品である。電流センサ１８は、車輪駆動用のモータに送られる電流値を計測するセンサである。パワーモジュール１１とドライバ基板１２とでインバータを構成しており、インバータによりバッテリーからの直流が３相交流に変換される。ドライバ基板１２にはＰＷＭ（Pulse Width Modulation）制御のための回路が組み込まれ、パワーモジュール１１にはスイッチング素子が組み込まれている。

インバータで生成された交流電流は、左右輪のそれぞれを回転駆動させるためのモータの駆動に用いられる。モータとしては、例えばインホイールモータが挙げられる。インホイールモータは車輪の内側に内蔵して用いられ、その回転により車輪が回転しこれと一体に車輪に装着されたタイヤが回転する。コンデンサ１３は、直流電圧の変動を抑制して平滑化させるためのものである。

高圧ユニット１は、図１の状態では、各構成部品同士が組み立てられて、各構成部品が一体となった１ユニット分の高圧ユニット１で構成されている。各構成部品同士の組み立て方法は特に限定はなく、ボルト・ナット等による機械的結合でもよく、接着でもよい。例えば、コンデンサ１３は支持プレート８の一部に固定したナット９に固定プレート３１の端部に挿通させたボルト１９を締め付けて固定されている。

１ユニット分の高圧ユニット１は、左右の車輪駆動用のモータ１つ分に対応した独立したユニットであり、１ユニット分の高圧ユニット１を２つ用いることにより、左右輪のモータ２つ分に対応した高圧ユニット１として使用できる。すなわち、１ユニット分の高圧ユニット１は、１車輪分のモータ駆動に必要な高圧ユニット１として完結している。したがって、１ユニット分の高圧ユニット１をモータの個数分用いることにより、各高圧ユニット１を各モータ用の高圧ユニット１として使用可能となる。

より具体的には、本実施形態に係る高圧ユニット１によれば、対応するモータが複数であっても、各モータに対応する高圧系の部品は、同一の高圧ユニット１をモータの数と同じ個数だけ用意するだけでよい。この場合、複数の高圧ユニット１の取付作業は、同一の取付作業を繰り返すだけでよく、取付作業の単純化により生産性の向上に有利になる。また、取付作業の単純化は組立品の品質確保に有利になることに加え、高圧ユニット１自体の品質は、１種類の高圧ユニット１について品質を確保しておけばよいので、品質確保に有利になる。

特に本実施形態においては、１ユニット分の高圧ユニット１は、冷却機能とインバータ機能とを発揮でき、かつ両機能を検査可能に完結している。このため、１ユニット分の高圧ユニット１は、インバータ装置１（図１４参照）に求められる主要な機能を発揮できることに加え、かつ検査可能に完結しているので、前記のような生産性の向上や品質の確保が一層有利になる。冷却機能とは、パワー部１０の発熱部を冷却するための必要最小限の機能のことであり、インバータ機能とは、直流を３相交流に変換する必要最小限の機能のことである。本実施形態では、パワー部１０はインバータ機能を発揮できる構成であるが、コンデンサ１３を省いても、インバータ機能を発揮でき、かつインバータ機能の検査も可能である。

また、１ユニット分の高圧ユニット１に１車輪分のモータ駆動に必要なパワー部１０とこれを冷却する冷却部３とが集約されているので、高圧ユニット１は小型化が可能になり、容積及び重量の削減に有利になる。高圧ユニット１の小型化は、あわせて高圧ユニット１をボックスに収容する場合のボックスの小型化にもなる。

以下、高圧ユニット１をボックス２０（図３参照）に収容して使用する例を工程順に説明する。高圧ユニット１をボックス２０に収容する前において（図１の状態）、高圧ユニット１を構成する冷却部３及びパワー部１０の性能、機能及び品質の検査を行う。

前記のとおり、高圧ユニット１はそれぞれ１車輪分のモータ駆動に必要な高圧ユニット１として完結しているので、左右の車輪分の高圧ユニット１がボックス２０に組み込まれて初めて検査が可能になるのではなく、ボックス２０に組み込む前に１つの高圧ユニット１単体で検査が可能になる。このため、高圧ユニット１をボックス２０に組み込む前の開放状態で検査が可能になり、このことも生産性向上に有利になる。特に、本実施形態は１ユニット分の高圧ユニット１が冷却機能とインバータ機能とを発揮できるユニットとして完結しているので、１ユニット分の高圧ユニット１の検査で主要項目の検査が可能になる。

高圧ユニット１の検査が完了すると、高圧ユニット１をボックス２０内に収容する。図３は本発明の一実施形態に係るボックス２０の斜視図であり、図４は図３に示したボックス２０を底面側から見た斜視図である。図３に示したように、ボックス２０の上側全体が開口になっており、図４に示したように、ボックス２０の底面には２つの開口２６が形成されている。

図４に示したボックス２０の底面の２つの開口２６にそれぞれ、高圧ユニット１の構成部品の搭載側を通過させる。図５は、ボックス２０に２ユニット分の高圧ユニット１を取り付けた状態を示している。この状態において、水冷ジャッケット４に形成された孔３１にボルトを締め付けて、高圧ユニット１をボックス２０に固定する。合わせて、各高圧ユニット１の水栓５同士を水管３０で接続し、各高圧ユニット１に順次冷却水が流れるようにする。

高圧ユニット１はそれぞれ１車輪分のモータ駆動に必要な高圧ユニット１として完結しているので、ボックス２０への取り付けは、それぞれ単体の同一の高圧ユニット１を２つ用意し、それぞれ独立した取付作業を行えばよい。すなわち、２つの高圧ユニット１に共用の新たな部品を高圧ユニット１間に取り付ける等の追加作業は不要であり、このことも生産性向上に有利になる。特に、本実施形態のように、ボックス２０の裏面側の２つの開口２６にそれぞれ、高圧ユニット１の構成部品の搭載側を通過させる構成では、ボックス２０の外部から高圧ユニット１を固定できるので、固定作業が容易になり、生産性向上により有利になる。

図６は、ボックス２０に２ユニット分の高圧ユニット１を取り付けた状態をボックス２０の上側から見た斜視図であり、図７は真上から見た平面図である。図６及び図７に示したように、仕切り板２１及び仕切り板２２がＴ字状に交差して配置されており、図７に示したように、ボックス２０内の空間が３分割されている。仕切り板２１及び仕切り板２２を配置したことにより、各高圧ユニット１の全周が壁面で囲まれている。このことにより、隣接する高圧ユニット１間の電磁波による影響を防止している。

また、図７に示したように、仕切り２２を介して、ボックス２０内の空間は高圧ユニット１の配置空間３５とこれに隣接する中継空間３６とに区画されている。中継空間３６は、バッテリーからの電源を２つの高圧ユニット１に分岐するための電気的接続部分を収容する空間である。中継空間３６において、２つのコンデンサ１３の端子１４は、各端子１４の孔１５の位置でボルトを締め付けることにより、ジョイントバー３４で連結される。

図６及び図７のように、ボックス２０内に高圧ユニット１を設置した状態において、ボックス２０の側面から、モータ及びバッテリーに結合する高圧ケーブル４０を高圧ユニット１に接続する。図８は、高圧ケーブル４０を高圧ユニット１に接続する様子を示す拡大斜視図である。高圧ケーブル４０は先端に端子４１が取り付けられており、端子４１の近傍に高圧ケーブル４０をボックス２０に固定するための留め具４３が取り付けられている。図８の状態から、高圧ケーブル４０をボックス２０に形成された配線孔２４に挿通させる。

図９は、高圧ケーブル４０を配線孔２４に挿通させた後のボックス２０内の状態を示す要部斜視図である。本図の状態において、端子４１とバスバー１６を重ね合わせて、孔４２及び孔１７の位置でボルトを締め付けることにより端子４１とバスバー１６とを接続する。同じ作業を繰り返して、すべてのバスバー１６に、高圧ケーブル４０の端子４１を接続して高圧ケーブル４０と高圧ユニット１との接続が完了する。図１０は、高圧ケーブル４０と高圧ユニット１との接続が完了した状態のボックス２０の斜視図を示している。

高圧ユニット１はそれぞれ１車輪分のモータ駆動に必要な高圧ユニット１として完結しているので、高圧ケーブル４０の接続についても、一方の高圧ユニット１への接続作業が終われば、同じ接続作業を他方の高圧ユニット１に行えば足り、煩雑な配線作業は不要になる。また、バスバー１６は高圧ユニット１の端部に並列的に配置されているので、ボックス２０の外部から配線孔２４を挿通させた直後の高圧ケーブル４０の端子４１をバスバー１６に接続可能である。このことにより、特別な配線スペースは不要になり、ボックス２０内の限られた空間を有効活用でき、ボックス２０の大型化を防止することができる。

以後の工程を図１１〜図１３を参照しながら説明する。図１１〜図１３はインバータ装置の組立途中の状態を示す斜視図であり、図１１は電磁遮蔽板５０を取り付ける前の状態を示している。電磁遮蔽板５０は高圧部と低圧部とを隔離するものであり、これにより高圧ユニット１（高圧部）と後に搭載するモータ制御部５２（低圧部）とが隔離される。図１２は、モータ制御部５２を組み立てる前の状態を示している。この状態では、電磁遮蔽板５０が取り付けられている。

図１２において、モータ制御部５２はモータ制御基板で構成されている。モータ制御基板は、電流センサ１８（図１参照）の計測値を監視しながら、車輪駆動用のモータに送る電流を制御するものであり、例えばＭＣＵ基板（Micro Controller Unit）である。２つのモータ制御部５２は、電磁遮蔽板５０上取り付けられる。図１３は、カバー５３を取り付ける前の状態を示している。この状態では、モータ制御部５２は取り付けられており、ボックス２０の側面に形成された複数の配線孔２７に、低圧線、信号線などを挿入して、モータ制御部５２の基板のコネクタに接続する。

図１４は、インバータ装置１の完成状態を示す斜視図である。本図の状態では、カバー５３がボルト５４によりボックス２０に固定されている。以上、２つの高圧ユニット１を１つのボックス２０に収容して使用する構成を説明したが、この構成では、高圧ユニット１毎にボックスに収容する構成と比べると、ボックスが一体化することにより小型、軽量、低コスト化が図られる。また、ボックス間の仕切りが無くなることにより、コネクタ取り付け面及びコネクタ取り付け孔がなくなり、配線（信号線、高圧線）及びコネクタが削減され、このことによっても、小型、軽量、低コスト化が図られる。あわせて、配線及びコネクタの削減は、配線不良による不具合を排除でき、品質の確保に有利になる。

また、前記のとおり、高圧ユニット１は小型化が可能になり、このことはこれを収容するボックス２０の小型化にもなる。さらに、１ユニット分の高圧ユニット１は、１車輪分のモータ駆動に必要な高圧ユニット１として完結しているので、ボックス２０内の高圧ユニット１のレイアウトやスペース確保が容易になり、このこともボックス２０の小型化に役立ち、あわせてボックス２０内の配線処理が容易になる。

以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明はこれに限るものではなく適宜変更した構成も含まれる。具体的には、高圧ユニット１は少なくとも冷却部３及びパワー部１０に相当するもので構成されていればよく、その構成部品に特に限定はない。したがって、高圧ユニット１は、前記実施形態から構成部品の一部を省いたものでもよく、構成部品を追加したものでもよい。例えば、コンデンサ１３は高圧ユニット１から省いてもよい。この場合、コンデンサ１３は後付けすればよく、電気的に問題がないことを確認した上で、複数の高圧ユニット１用に一体化したものを後付けしてもよい。

また、高圧ユニット１は、１車輪分に対応した独立したユニットとして完結しているが、インバータ装置１としての完成状態で完結していてばよい。例えば、高圧ユニット１をボックス２０内に収容する場合は、図１３のように最終的にカバー５３を取り付ける際に、高圧ユニット１が完結状態になっていればよい。

１ 高圧ユニット
２ インバータ装置
３ 冷却部
４ 水冷ジャッケット
１０ パワー部
１１ パワーモジュール
１２ ドライバ基板
１３ コンデンサ
１６ バスバー
２０ ボックス
２１，２２ 仕切り板
４０ 高圧ケーブル
５０ 電磁遮蔽板
５２ モータ制御部
５３ カバー

Claims (5)

1. 電気自動車の車輪駆動用のモータを駆動するインバータ装置に用いる高圧ユニットであって、
   冷却部と、
   高圧系のパワー部とを備えており、
   前記高圧ユニットはボックス内に収容されるものであり、
   前記冷却部は、水路を有する水冷ジャケットで構成されており、
   １ユニットの高圧ユニットに前記冷却部及び前記パワー部を含んでおり、
   前記１ユニット分の高圧ユニットは、前記ボックス内に組み込む前に前記冷却部と前記パワー部とが組み立てられて、１車輪分のモータに対応した独立したユニットとして完結しており、
   複数の車輪分の各モータに対して、前記１ユニット分の高圧ユニットをモータの個数分用いることにより、前記各高圧ユニットを複数の車輪分の各モータ用の高圧ユニットとして使用可能であり、
   前記１ユニット分の高圧ユニットは、前記ボックスに組み込む前に、少なくとも冷却機能とインバータ機能とを発揮でき、かつ前記両機能を検査可能なユニットとして完結しており、
   前記高圧ユニットを前記ボックスに組み込む前の開放状態で前記検査が可能になるようにしたことを特徴とするインバータ装置に用いる高圧ユニット。
2. 前記高圧ユニットに、高圧ケーブルを接続するためのバスバーが前記高圧ユニットの端部に並列的に配置されている請求項１に記載のインバータ装置に用いる高圧ユニット。
3. 請求項１又は２に記載のインバータ装置に用いる高圧ユニットを備えるインバータ装置であって、前記高圧ユニットが前記ボックス内に収容されているインバータ装置。
4. 複数の車輪分の各モータの個数分に対応した前記高圧ユニットが、１つの前記ボックス内に収容されている請求項３に記載のインバータ装置。
5. 前記ボックスの底面側に開口が形成されており、前記高圧ユニットの構成部品の搭載側を前記ボックス内に向けて通過させた状態で、前記水冷ジャケットを前記ボックスの外部から前記ボックスに固定して前記開口を前記水冷ジャケットで塞ぐことができるように構成されている請求項３又は４に記載のインバータ装置。

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