JP6547527B2 - 電力変換装置 - Google Patents

Description

本発明は、直流電源の出力電力を走行用モータの駆動電力に変換する電力変換装置に関する。

引用文献１に、コンデンサとリアクトルを備える電力変換装置が開示されている。この電力変換装置では、コンデンサ側バスバは、締結部材を用いてリアクトル側バスバに固定されている。

特開２０１０−２７３４２２号公報

電力変換装置の小型化、軽量化を目的として、コンデンサとリアクトルを固定する締結部材を削減し、コンデンサ側バスバとリアクトル側バスバを溶接によって接合することが検討されている。溶接工程では、リアクトル側バスバとコンデンサ側バスバを重ね合せて、重ね合せた箇所を溶接トーチで加熱してバスバを溶融する。なお、バスバとは、内部抵抗を小さくするため、ケーブルではなく、金属板あるいは金属棒を使った導電部材のことである。

本明細書では、溶接トーチの加熱によってバスバを安定的に溶融することができる技術を提供する。

本明細書が開示する技術は、直流電源の出力電力を走行用モータの駆動電力に変換する電力変換装置に関する。電力変換装置は、リアクトルと、リアクトルから第１方向に延びている矩形平板状のリアクトル側バスバと、コンデンサと、コンデンサからリアクトル側バスバと平行に延びており、第１方向に直交する第２方向でリアクトル側バスバと重なり合う平板状のコンデンサ側バスバと、を備える。コンデンサ側バスバとリアクトル側バスバとが重なり合う部分でコンデンサ側バスバはリアクトル側バスバと溶接によって接合されている。コンデンサ側バスバは、リアクトル側バスバとの溶接部分で、第１方向及び第２方向に直交する第３方向に突出する唯一の凸部を有している。凸部は、前記第３方向で前記リアクトル側バスバよりも突出している。

上記の電力変換装置では、コンデンサ側バスバとリアクトル側バスバが重ね合され、溶接されている。溶接工程において、コンデンサ側バスバの凸部がリアクトル側バスバよりも溶接トーチの近くに配置されている場合には、溶接トーチによる熱を凸部に集中的に加えることができる。これにより、コンデンサ側バスバの凸部を安定的に溶融することができる。凸部が溶融されると、溶融材料がリアクトル側バスバ上に流れ、リアクトル側バスが溶融する。これにより、コンデンサ側バスバとリアクトル側バスバが接合される。なお、溶接後、電力変換装置に配置されるコンデンサ側バスバには、溶接による溶融後の凸部が残っている。言い換えると、溶接前のコンデンサ側バスバは、凸部よりも第３方向の高さが高い突起部分を有している。

参考までに述べると、リアクトル側バスバがコンデンサ側バスバの凸部よりも溶接トーチの近くに配置されていると、溶接トーチによる加熱によってリアクトル側バスバが先に溶融して、凸部上に流れる。この結果、凸部が集中的に溶融してコンデンサ側バスバとリアクトル側バスバとを溶接することができる。上記のような構成によれば、凸部を有さないバスバ同士を溶接する場合と比較して、凸部を安定的に溶融することができる。

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。

実施例の電力変換装置を含む自動車の電力系のブロック図である。 実施例のコンデンサ単体の斜視図である。 実施例のリアクトル単体の斜視図である。 コンデンサ側バスバとリアクトル側バスバとの溶接工程を説明するための両バスバの拡大斜視図である。 コンデンサ側バスバとリアクトル側バスバとの溶接後の両バスバの拡大斜視図である。 リアクトル側バスバがコンデンサ側バスバよりも高い場合の溶接工程を説明するための両バスバの拡大斜視図である。

図１に電力変換装置２を含む自動車１００の電力系のブロック図を示す。自動車１００は、２個のモータ８３ａ、８３ｂと、２セットのインバータ回路１３ａ、１３ｂを備える。なお、２個のモータ８３ａ、８３ｂの出力は、動力分配機構８５で合成／分配されて車軸８６（即ち駆動輪）へと伝達される。即ち、自動車１００は、２個のモータ８３ａ、８３ｂによって駆動される。なお、自動車１００は、モータ以外に駆動用のエンジンを有していてもよい。

電力変換装置２は、システムメインリレー８２を介してバッテリ８１と接続されている。電力変換装置２は、バッテリ８１の電圧を昇圧する電圧コンバータ回路１２と、昇圧後の直流電力を交流電力に変換する２セットのインバータ回路１３ａ、１３ｂを含む。

電圧コンバータ回路１２は、２個のスイッチング素子Ｔ７、Ｔ８の直列回路と、一端がその直列回路の中点に接続されており他端が入力側（バッテリ８１側）の高電位端子に接続されているリアクトル７と、入力側の高電位端子と低電位端子の間に接続されているフィルタコンデンサ５（以下では単に「コンデンサ５」と呼ぶ）、及び、各スイッチング素子に逆並列に接続されているダイオードで構成されている。スイッチング素子Ｔ７、Ｔ８の直列回路は、高電位側Ｐの電極と接続されている端子と、低電位側Ｎの電極と接続されている端子を有する。

電圧コンバータ回路１２は、バッテリ８１の電圧を昇圧してインバータ回路１３ａ（１３ｂ）へ供給する動作（昇圧動作）と、インバータ回路１３ａ（１３ｂ）側から入力される直流電力を降圧してバッテリ８１へ供給する動作（降圧動作）の双方を行うことができる。図１の電圧コンバータ回路はよく知られているので詳細な説明は省略する。

インバータ回路１３ａは、２個のスイッチング素子の直列回路が３セット並列に接続された構成を有している（Ｔ１とＴ４、Ｔ２とＴ５、Ｔ３とＴ６）。各スイッチング素子にはダイオードが逆並列に接続されている。図１では、２個のスイッチング素子と各スイッチング素子のダイオードのセットごとに破線で囲っている。３セットの直列回路の高電位側は電圧コンバータ回路１２の高電位側Ｐの出力端に接続されており、３セットの直列回路の低電位側Ｎは電圧コンバータ回路１２の低電位側の出力端に接続されている。３セットの直列回路の中点から３相交流（Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相）が出力される。

インバータ回路１３ｂの構成はインバータ回路１３ａと同じであるため、図１では具体的な回路の図示を省略し、インバータ回路１３ａと同様に２個のスイッチング素子の直列回路と各スイッチング素子のダイオードのセットを破線で示す。インバータ回路１３ｂもインバータ回路１３ａと同様に、２個のスイッチング素子の直列回路が３セット並列に接続された構成を有している。

インバータ回路１３ａ、１３ｂの入力端に平滑化コンデンサ６が並列に接続されている。平滑化コンデンサ６は、別言すれば、電圧コンバータ回路１２の出力端に並列に接続されている。平滑化コンデンサ６は、電圧コンバータ回路１２の出力電流に重畳しているノイズ（スイッチング動作に伴う電流の脈動）を除去する。

スイッチング素子Ｔ１−Ｔ８は、トランジスタであり、典型的にはＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）であるが、他のトランジスタ、例えば、ＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）であってもよい。あるいは、将来的には異なるタイプのスイッチング素子が電力変換装置２に用いられることもあり得る。本明細書が開示する技術の主要な特徴はバスバの構造にあり、スイッチング素子のタイプに依存しない。また、ここでいうスイッチング素子は、大電流の電力を変換することに用いられるものであり、パワー半導体素子と呼ばれることもある。

次いで、電圧コンバータ回路１２のコンデンサ５とリアクトル７の構造を説明する。図２に示すように、コンデンサ５は、ケース５２に収容されるコンデンサ素子等とコンデンサ素子と他の機器を接続するためのバスバ５４、５６を備える。バスバ５４、５６は、例えば銅合金等の導電性金属で作製されている。バスバ５４は、基端５４ｂ側でケース５２に締結されており、ケース５２内に配置される配線によってコンデンサ素子と電気的に接続されている。また、バスバ５４は、先端５４ｃ側でリアクトル７と電気的に接続される。先端５４ｃは、矩形平板形状を有する。先端５４ｃのＸＹ平面に平行な上面５４ｄには、Ｚ軸方向上方に突出する凸部５４ａを有する。凸部５４ａは、後述するように、リアクトル７のバスバ７６と溶接される箇所に設けられている。凸部５４ａは、溶接工程の前後で形状が変化する。詳細は後述するが、凸部５４ａは、溶接によって溶融されて変形する。溶接前では、凸部５４ａは、ＸＹ平面に平行な上面の他の部分よりも約１．０ｍｍ程度上方に突出している。また、溶接前では、凸部５４ａのＸ軸方向の長さは、約４．０ｍｍである。凸部５４ａのＸ軸方向の長さは、リアクトル７のバスバ７６との溶接において要求される溶接長さに相当する。

バスバ５６は、基端５６ｂ側でケース５２に締結されており、ケース５２内に配置される配線によってコンデンサ素子と電気的に接続されている。また、バスバ５６は、先端５６ｃ側で低電位端子（即ち低電位側のバスバ）と接続される。先端５６ｃのＸＹ平面に平行な上面には、Ｚ軸方向上方に突出する凸部５６ａを有する。凸部５６ａは、凸部５４ａと同様の形状を有しており、バスバ５６の上面５６ｄよりも高い。

図３に示すように、リアクトル７は、環状のコア７４と、ボビン７５と、コイル７２、７３を備える。なお、リアクトル７は、筐体によって覆われているが、図３では説明のために筐体は図示されていない。環状のコア７４は、一部が平行であり、その平行な部位の夫々が樹脂製のボビン７５で覆われている。コイル７２、７３は、電気的には直列に接続されており、夫々がコア７４の平行部位にてボビン７５に巻回されて構成されている。コイル７２、７３の巻線は、平板形状を有しており、全長に亘って絶縁膜で覆われている。ボビン７５のコイル軸線方向（即ちＸ軸方向）の両側にはフランジ７５ａが設けられており、そのフランジ７５ａがコイル７２、７３の両端を規制している。一方のフランジ７５ａにはスリット７９が設けられている。コイル７２、７３の端部は、スリット７９からボビン７５外に突出する。コイル７２、７３の端部には、バスバ７６、７７が設けられている。バスバ７６、７７のそれぞれは、Ｘ軸方向に平行に延びる矩形の平板形状を有する。バスバ７６、７７は、バスバ５４、５６と同じ材料で作製されている。即ち、バスバ７６、７７の上面７６ａ、７７ａのＸ軸方向の高さは、一定である。バスバ７６、７７は、リアクトル７の筐体から外側に突出している。バスバ７６は、コンデンサ５のバスバ５４に溶接されることによって、バスバ５４に電気的に接続される。バスバ７７は、２個のスイッチング素子Ｔ７、Ｔ８の直列回路の中点に電気的に接続される。

次いで、図４及び図５を参照して、コンデンサ５のバスバ５４とリアクトル７のバスバ７６を溶接する溶接工程を説明する。バスバ５４とバスバ７６を溶接する前に、溶接される範囲でバスバ７６の絶縁膜を研磨によって除去する。なお、バスバ７６の絶縁膜は、溶接による加熱によって除去してもよい。

絶縁膜が除去されると、図４に示すように、バスバ５４とバスバ７６をＸ軸に平行に配置して、Ｙ軸方向にバスバ５４とバスバ７６を重ね合せる。バスバ７６の上面７６ａが、バスバ５４の凸部５４ａ以外の部分の上面５４ｄと一致するように配置する。そして、溶接トーチＴをバスバ５４とバスバ７６が重なり合っている部分のＺ軸方向上方に配置して溶接を行う。溶接工程では、ＴＩＧ溶接によってバスバ５４とバスバ７６を接合する。

バスバ５４とバスバ７６のうち、溶接トーチＴに最も近い凸部５４ａが溶接トーチＴの下端からのアークによって加熱される。このとき、溶接トーチによって凸部５４ａを集中的に加熱することができる。この結果、凸部５４ａを選択的に溶融させることによって、でバスバ５４とバスバ７６を溶接することができる。凸部５４ａが溶融され始めると、溶融された金属がバスバ７６の上面に流れ、バスバ７６を溶融させる。これにより、バスバ５４とバスバ７６を溶接によって接合することができる。仮に、バスバ５４に凸部５４ａが配置されていない構成、即ち、バスバ５４の先端５４ｃが矩形状の平板である場合には、溶接トーチＴによって加熱されても、バスバ５４の先端５４ｃに熱が分散する。このため、要求される溶接長さ分のバスバ５４を溶融するためには、凸部５４ａを有する場合と比較して多くの熱量を必要とする。

図５に示すように、凸部５４ａは、溶接によって溶解され、その高さが溶接前と比較して低くなっている。溶接後の凸部５４ａは、バスバ５４の先端５４ｃの凸部５４ａ以外の上面５４ｄよりも高い。また、凸部５４ａは、溶接前後で比較して、溶接後のＸ軸方向の長さが溶接前よりも長い。この結果、溶接前の凸部５４ａのＸ軸方向の長さを要求される溶接長さと一致させているために、要求される溶接長さを確保することができる。

（参考例）上述したように、溶接工程では、図５に示されるように、バスバ７６の上面が、バスバ５４の凸部５４ａ以外の部分の上面５４ｄと一致するように配置される。しかしながら、バスバ５４、７６の寸法精度、コンデンサ５やリアクトル７の寸法精度等のばらつきによって、図６に示すように、バスバ７６の上面７６ａが、バスバ５４の凸部５４ａよりも上方に配置される場合がある。この場合、溶接工程では、バスバ５４とバスバ７６のうち、溶接トーチＴに最も近いバスバ７６の溶接部分ＷＡが溶接トーチＴの下端からのアークによって加熱される。この結果、バスバ７６が溶融され、溶融金属が矢印で示されるように、凸部５４ａの上面に流れる。この結果、溶融金属によって凸部５４ａを集中的に加熱することができる。これにより、凸部５４ａを選択的に溶融させることによって、バスバ５４とバスバ７６を溶接することができる。

上記の構成によれば、溶接後の凸部５４ａを画像解析によって検出し、そのＸ軸方向の長さが溶接前の凸部５４ａよりも長くなっているか否かを判断することによって、凸部５４ａが溶融され、溶接が適切に実行されたか否かを判断することができる。

なお、バスバ５６は、バスバ５４と同様に、低電位側のバスバと溶接によって接合されている。

また、バスバ５４とバスバ７６を融点の異なる２種類の金属（例えば銅合金とアルミニウム合金）とし、バスバ５４、７６のどちらのバスバが溶接トーチＴに近くても、融点の低い金属で作製されたバスバを選択的に溶融して溶接することが考えられる。しかしながら、異種金属を接合すると、線膨張差による応力によってバスバ５４、７６が破損する可能性がある。また、異種金属の溶接では、接着強度を向上させることが難しく、車両の振動によって接着が外れる可能性がある。さらに、例えばバスバ５４とバスバ７６を銅合金とアルミニウム合金とすると、高温時に電位差が生じて、電蝕が発生する可能性がある。

本実施例では、同種金属のバスバ５４、７６を溶接するために、上記のような状況を回避することができる。

また、本実施例では、コンデンサ５のバスバ５４、５６に凸部５４ａ、５６ａを配置する一方で、リアクトル７のバスバ７６、７７には凸部を配置せず、バスバ７６、７７を矩形平板状としている。これにより、バスバ７６、７７の形状に応じて、コイル７２、７３に絶縁膜を適切に被覆することができる。

上記の説明から明らかなように、本実施例のＸ軸方向が「第１方向」の一例であり、Ｙ軸方向が「第２方向」の一例であり、Ｚ軸方向が「第３方向」の一例である。

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 ：電力変換装置
５ ：フィルタコンデンサ
７ ：リアクトル
５２ ：ケース
５４ ：バスバ
５４ａ ：凸部
５６ ：バスバ
５６ａ ：凸部
７２ ：コイル
７３ ：コイル
７６ ：バスバ
７６ａ ：上面
７７ ：バスバ
７７ａ ：上面
１００ ：自動車
Ｔ ：溶接トーチ
ＷＡ ：溶接部分

Claims (1)

1. 直流電源の出力電力を走行用モータの駆動電力に変換する電力変換装置であり、
   リアクトルと、
   リアクトルから第１方向に延びている矩形平板状のリアクトル側バスバと、
   コンデンサと、
   前記コンデンサから前記リアクトル側バスバと平行に延びており、前記第１方向に直交する第２方向で前記リアクトル側バスバと重なり合う平板状のコンデンサ側バスバと、を備え、
   前記コンデンサ側バスバと前記リアクトル側バスバとが重なり合う部分で前記コンデンサ側バスバは前記リアクトル側バスバと溶接によって接合されており、
   前記コンデンサ側バスバは、前記リアクトル側バスバとの溶接部分で、前記第１方向及び前記第２方向に直交する第３方向に突出する唯一の凸部を有しており、
   前記凸部は、前記第３方向で前記リアクトル側バスバよりも突出している、
   電力変換装置。

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