JP6668851B2 - 電動車両の電力変換装置 - Google Patents

Description

本発明は、電源の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。

電源の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は、電源の電力を伝える電力正極線と電力負極線の間に平滑コンデンサを備えることが多い。平滑コンデンサは、電源からの電流（あるいは、電圧変換後の電流）に重畳するノイズを除去する。走行用モータを駆動する電力は高電圧であるため、電力変換装置は、衝突時に平滑コンデンサを速やかに放電する機構を備えることが望ましい。例えば特許文献１、特許文献２には、平滑コンデンサを速やかに放電する技術が開示されている。特許文献１の技術は次のとおりである。電力変換装置は、平滑コンデンサを放電させるリレーに係止棒が係止しており、通常は係止棒によりリレーが開放状態に保持され、平滑コンデンサの放電回路が遮断されている。衝突の荷重により電力変換装置が後方へ移動すると係止棒がリレーから外れ、平滑コンデンサが放電回路に接続される。特許文献２の技術は次のとおりである。電力変換装置に短絡用金具が備えられている。短絡用金具は、電力制御装置の筐体を貫通しており、筐体の内部で２個の端子と対向している。２個の端子は夫々、平滑コンデンサの夫々の電極と導通している。短絡用金具は、筐体の外部に露出している部分が外力（衝突荷重）を受けると筐体内へ押し込まれるとともに２個の端子と接触し、２個の端子間を導通させる。２個の端子が導通することによって平滑コンデンサが短絡し、放電される。

特開２０１１−１２５１８３号公報 特開２０１０−１８３８０３号公報

特許文献１に開示された技術では、荷重が加わったときにリレーを開放状態から導通状態に切り換える係止棒が必要である。また、特許文献２に開示された技術では、電力変換装置の筐体を貫通する短絡用金具が必要である。いずれの文献の技術も、衝突時に平滑コンデンサを放電させるための専用の部品が必要であり、コストが嵩む。本明細書は、衝突時に平滑コンデンサを放電させる機構を低コストで実現する技術を提供する。

本明細書が開示する電力変換装置は、その筐体の内部に、電源から供給される電流を平滑化する平滑コンデンサと、電源の電力を平滑コンデンサに伝える正極バスバと負極バスバが備えられている。そして筐体に、所定の大きさ以上の荷重が加わると筐体内側に離脱する脆弱部が設けられている。離脱した脆弱部が正極バスバと負極バスバの双方と接触するように、正極バスバの一部と負極バスバの一部が、所定の距離を隔てて脆弱部の裏面に対向している。この電力変換装置では、衝突時の荷重により離脱する脆弱部が正極バスバと負極バスバを短絡させ、平滑コンデンサを放電する。この電力変換装置は、放電用の専用の部品を必要としないので低コストで実現することができる。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電気自動車の電力系のブロック図である。 電力変換装置の断面図である。 脆弱部が筐体から離間したときの様子を表す断面図である。 第１変形例の電力変換装置の断面図である。 第２変形例の電力変換装置の断面図である。

図面を参照して実施例の電力変換装置を説明する。実施例の電力変換装置１０は、電気自動車に搭載されている。図１に、電力変換装置１０を含む、電気自動車の電力系のブロック図を示す。なお、図１において、楕円で囲んだ領域は、電力変換装置１０の筐体１４の一部断面を示す。図１は回路ブロック図であるが、楕円で囲んだ領域のみ、ハードウエアの一部を示している。

電気自動車は、走行用モータ６で走行する。以下、走行用モータ６を単にモータ６と称する。電力変換装置１０は、車載のバッテリ２（電源）の直流電力を適宜の周波数の交流電力に変換してモータ６に供給する。別言すれば、電力変換装置１０は、バッテリ２の電力をモータ６の駆動電力に変換する。バッテリ２と電力変換装置１０は、システムメインリレー３を介して接続されている。システムメインリレー３と電力変換装置１０は、上位コントローラ７によって制御される。

電力変換装置１０は、その内部に、電圧コンバータ回路４と、平滑コンデンサ１３と、インバータ回路５を備えている。電圧コンバータ回路４は、バッテリ２の電圧を昇圧してインバータ回路５に供給する昇圧動作と、インバータ回路５から送られる回生電力を降圧してバッテリ２に供給する降圧動作の双方の機能を備えている。即ち、電圧コンバータ回路４は、双方向ＤＣ−ＤＣコンバータである。電圧コンバータ回路４は、フィルタコンデンサ、リアクトル、２個のスイッチング素子、及び、各スイッチング素子に逆並列に接続されている還流ダイオードで構成されている。図１に示す電圧コンバータ回路４はよく知られているので詳しい説明は割愛する。

インバータ回路５は、電圧コンバータ回路４を通じて供給されるバッテリ２の直流電力を交流電力に変換してモータ６に供給する。ドライバがブレーキペダルを踏んだ際には、インバータ回路５は、モータ６が逆駆動により発電した交流電力を直流電力に変換して電圧コンバータ回路４に供給する。電圧コンバータ回路４とインバータ回路５は、上位コントローラ７からの指令により動作する。電圧コンバータ回路４とインバータ回路５の間には平滑コンデンサ１３が並列に接続されている。

電圧コンバータ回路４と平滑コンデンサ１３とインバータ回路５は、バスバと呼ばれる細長金属板で接続されている。図１は回路ブロック図であるから結線は単純な線で描かれているが、図１の楕円の中では、バッテリ２の電力を平滑コンデンサ１３に伝える正極バスバ１２ａと負極バスバ１２ｂの一部が描かれている。

平滑コンデンサ１３は、電圧コンバータ回路４の出力電流（バッテリ２から供給される電流）に重畳するノイズ成分を除去するために備えられている。走行用のモータ６の出力は数十キロワットと大きく、それゆえ、バッテリ２の出力も数十キロワットであり、その出力電圧は例えば３００ボルトである。電圧コンバータ回路４は、バッテリ２の出力電圧を例えば６００ボルトまで昇圧する。電圧コンバータ回路４の出力端に接続されている平滑コンデンサ１３には大電力が印加される。それゆえ、車両が衝突した際には平滑コンデンサ１３は速やかに放電されることが望まれる。実施例の電力変換装置１０では、衝突時、電力変換装置１０の筐体１４に所定値以上の荷重が加わったときに、平滑コンデンサ１３に接続されている正負のバスバが短絡し、平滑コンデンサ１３を放電する構造を備えている。以下において、その構造を説明する。なお、上位コントローラ７は、衝突を検知するエアバックセンサ８からの信号（衝突したことを示す信号）を受けると、システムメインリレー３を開放するとともに、電力変換装置１０の電圧コンバータ回路４とインバータ回路５を停止する。

図１の楕円内に示すように、筐体１４に、所定の大きさ以上の荷重が加わると内側に離脱する脆弱部１５が設けられている。バッテリ２の電力を平滑コンデンサ１３に伝える正極バスバ１２ａと負極バスバ１２ｂの一部が所定の距離を隔てて脆弱部１５の裏面に近接配置されている。脆弱部１５とは、筐体１４においてリング状の溝１４ａに囲まれた領域である。リング状の溝１４ａの溝底に相当する部分では筐体１４の厚みが他の部分よりも薄くなっており、衝突の荷重が加わると溝１４ａの溝底にそって筐体１４の一部（脆弱部１５）が破断するようになっている。脆弱部１５を含め、筐体１４は、導電性の金属で作られている。外から荷重を受けて脆弱部１５が筐体１４の内部へ押し込まれると、導電性の脆弱部１５が正極バスバ１２ａと負極バスバ１２ｂに接触し、両者を短絡させ、平滑コンデンサ１３が放電される。

図２に、電力変換装置１０の断面図を示す。図３に、荷重を受けて脆弱部１５が離脱したときの電力変換装置１０の断面図を示す。図２、図３では、電気自動車９０の前部の輪郭を仮想線で描いてある。図２、図３は、車両前後方向と上下方向に拡がる平面で電力変換装置１０をカットした断面図である。なお図２、図３では、電力変換装置１０の内部構造は説明のため、模式化して描いてある。また、理解を助けるために、電気自動車９０の大きさに対して電力変換装置１０を相対的に大きく描いてある。以降の図４、図５も同様である。また、図中の座標系のＦ軸は車両前方を向いており、Ｈ軸は車幅方向を向いており、Ｖ軸は上方を向いている。以降の図４、図５でも座標系各軸の意味は同じである。

電力変換装置１０は、電気自動車９０の車両前部空間（フロントコンパートメント）に搭載されている。電力変換装置１０は、例えば、前後方向に延びているフレーム部材２１に固定されている。電力変換装置１０は、車両前部空間に搭載されているので、前方衝突の際に、前面に衝突荷重を受ける可能性が高い。電力変換装置１０は、衝突時に荷重を受ける可能性が高い面（本実施例の場合は前面）に、脆弱部１５が設けられている。先に述べたように、脆弱部１５は、筐体１４においてリング状の溝１４ａで囲まれた領域であり、この領域に所定の大きさ以上の荷重が加わると、リング状の溝１４ａの底で筐体１４が破断し、脆弱部１５が筐体１４から離脱する。図３の符号Ｗが示す矢印が衝突の際に電力変換装置１０に加わる荷重を示している。電力変換装置１０は、筐体１４において衝突の際に荷重を受ける可能性が高い箇所に脆弱部１５を設けている。

脆弱部１５を含む筐体１４は導電性の金属、例えばアルミニウムで作られている。脆弱部１５の裏面に対向するように、裏面から所定の距離を隔てて正極バスバ１２ａと負極バスバ１２ｂが位置している。先に述べたように、正極バスバ１２ａと負極バスバ１２ｂは、バッテリ２の電力を平滑コンデンサ１３に伝える導体である。なお、図２、図３において、正極バスバ１２ａ、負極バスバ１２ｂのハッチングを施した断面の先は、不図示のコネクタまで続いており、平滑コンデンサ１３は、コネクタおよび、図１のシステムメインリレー３を介してバッテリ２と導通している。先に述べたように、図１、図２では電力変換装置１０の内部構造を模式化して描いてあり、平滑コンデンサ１３と正極バスバ１２ａと負極バスバ１２ｂ以外の部品は図示を省略している。

図３に示すように、荷重Ｗを受けた脆弱部１５が筐体１４から離間して筐体内部に押し込まれると、脆弱部１５が正極バスバ１２ａと負極バスバ１２ｂと接触し、両者は短絡する。正極バスバ１２ａと負極バスバ１２ｂは平滑コンデンサ１３の夫々の電極と導通しているため、正極バスバ１２ａと負極バスバ１２ｂが短絡すると、平滑コンデンサ１３は放電する。このように、電力変換装置１０は、衝突の衝撃を利用して平滑コンデンサ１３を放電する構造を備えている。しかもその構造は、もともと電力変換装置１０が備えている筐体１４と正極バスバ１２ａと負極バスバ１２ｂを利用しているため、低コストで実現できる。

実施例の電力変換装置の変形例を説明する。図４に、第１変形例の電力変換装置１０ａの断面図を示す。変形例の電力変換装置１０ａも、先の電力変換装置１０と同様に、電気自動車９０のフロントコンパートメントに搭載されている。従って、前方衝突時、電力変換装置１０ａはその前面に荷重を受ける可能性が高い。詳しくは後述するように、電力変換装置１０ａも、先に電力変換装置１０と同様に、筐体１１４の前面に脆弱部１１５を設けてある。

電力変換装置１０ａは、実施例の電力変換装置１０に、荷重誘導部材２２を付加したものである。荷重誘導部材２２は、脆弱部１１５が設けられている筐体１１４の前面に、可撓性の支持ブラケット２３を介して取り付けられている。荷重誘導部材２２は、筐体１１４の前面全体に拡がっている。また、荷重誘導部材２２は、脆弱部１１５と対向する部位に、突出部２２ａを備えている。前方衝突の際、支持ブラケット２３は、衝突荷重を受けると変形し、荷重誘導部材２２が後退する。荷重誘導部材２２が後退すると、その後面の突出部２２ａが脆弱部１１５を押圧し、脆弱部１１５が確実に筐体１１４から離脱する。なお、筐体１１４の裏面には、脆弱部１１５の範囲を規定する溝１１４ａを囲むように、リブ１１４ｂが設けられている。リブ１１４ｂは、脆弱部１１５の周囲を補強する。変形例の電力変換装置１０ａでは、脆弱部１１５よりも面積の広い荷重誘導部材２２が、前方衝突時に荷重が発生すると想定される領域に広く拡がっており、衝突時の荷重ポイントが想定から多少ずれても荷重を脆弱部１１５へ導く。荷重誘導部材２２を備えることで、衝突時に脆弱部１１５が筐体１１４から離脱する確実性を高める。即ち、変形例の電力変換装置１０ａは、荷重誘導部材２２を備えることによって、衝突時に正極バスバ１２ａと負極バスバ１２ｂを短絡させる確実性を高めている。

また、筐体１１４において、脆弱部１１５を囲むように設けられているリブ１１４ｂは、脆弱部１１５以外の部位が衝突時の荷重によって大きく変形することを防止する。リブ１１４ｂを設けることで、脆弱部１１５が溝１１４ａを境に離脱する確実性がより一層高まる。

図５に、第２変形例の電力変換装置１０ｂの断面図を示す。第２変形例の電力変換装置１０ｂも、図２の電力変換装置１０と同様に電気自動車９０ａのフロントコンパートメントに搭載されている。ただし、電力変換装置１０ｂは、フレーム部材２１に懸架するように固定されており、先の電力変換装置１０よりも低い位置に配置されている。また、電力変換装置１０ｂは、前下がりの姿勢でフレーム部材２１に固定されている。電力変換装置１０ｂの筐体２１４の上面も前下がりの姿勢となる。この電力変換装置１０ｂは、低い位置に固定されているとともに前下がりの姿勢で固定されているため、前方衝突時に筐体２１４の前面と上面に荷重を受ける。筐体２１４の前面には、堅牢な支持ブラケット３１を介してプロテクタ３０が取り付けられており、正面から荷重を受けても筐体２１４の前面は保護される。

一方、筐体２１４の上面には、可撓性の支持ブラケット２３を介して荷重誘導部材２２２が取り付けられている。図５に示すように、衝突時に斜め上前方から荷重Ｗを受けると、支持ブラケット２３が変形し、荷重誘導部材２２２は下方へ移動する。電力変換装置１０ｂの筐体２１４の上面には脆弱部２１５が設けられている。脆弱部２１５は、筐体２１４において、溝２１４ａで囲まれた領域である。筐体２１４は、上方から所定の大きさ以上の荷重を受けると、溝２１４ａの底部で破断し、脆弱部２１５が筐体２１４から離脱する。荷重誘導部材２２２の脆弱部２１５と対向する部位には突出部２２２ａが設けられており、荷重誘導部材２２２が荷重Ｗを受けて下方に移動すると、突出部２２２ａが脆弱部２１５を下方に荷重する。脆弱部２１５は、その荷重により筐体２１４から離脱し、筐体２１４の内部へ押し込まれる。筐体２１４の内部では、脆弱部２１５の裏面に近接して（所定の距離を隔てて）、正極バスバ１２ａと負極バスバ１２ｂが配置されている。正極バスバ１２ａと負極バスバ１２ｂは、平滑コンデンサ１３に接続されており、先の電力変換装置１０と同様に、バッテリ２の電力を平滑コンデンサ１３に伝える。導電性の脆弱部２１５が筐体２１４の内部に押し込まれると、正極バスバ１２ａと負極バスバ１２ｂが脆弱部２１５に接し、両者は短絡する。正極バスバ１２ａと負極バスバ１２ｂの短絡により、平滑コンデンサ１３は放電する。

第１変形例の電力変換装置１０ａと第２変形例の電力変換装置１０ｂは、実施例の電力変換装置１０と同様に、電力変換装置が元々と備えている筐体と正極バスバと負極バスバを利用して衝突時に平滑コンデンサ１３を放電させる。電力変換装置１０ａ、１０ｂにおいても、衝突時の荷重により平滑コンデンサ１３を放電する構造を低コストで実現できる。

実施例に関する留意点を述べる。脆弱部が筐体から離脱したときに正極バスバと負極バスバをより確実に短絡させるために、脆弱部の裏面に肉盛を施し、離脱前の脆弱部の裏面とバスバ（正極バスバと負極バスバ）との距離を短くすることも好適である。

実施例の電気自動車が請求項の「電動車両」の一例に相当する。本明細書が開示する技術は、電気自動車のほか、ハイブリッド車や燃料電池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：バッテリ
３：システムメインリレー
４：電圧コンバータ回路
５：インバータ回路
６：走行用モータ
７：上位コントローラ
８：エアバックセンサ
１０、１０ａ、１０ｂ：電力変換装置
１２ａ：正極バスバ
１２ｂ：負極バスバ
１３：平滑コンデンサ
１４、１１４、２１４：筐体
１４ａ、１１４ａ、２１４ａ：溝
１５、１１５、２１５：脆弱部
２１：フレーム部材
２２、２２２：荷重誘導部材
２２ａ、２２２ａ：突出部
２３、３１：支持ブラケット
３０：プロテクタ
９０、９０ａ：電気自動車
１１４ｂ：リブ

Claims (1)

1. 電動車両に搭載されており、電源の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、
   前記電力変換装置の筐体の内部に、前記電源から供給される電流を平滑化する平滑コンデンサと、前記電源の電力を前記平滑コンデンサに伝える正極バスバ及び負極バスバが備えられており、
   前記筐体に、所定の大きさ以上の荷重が加わると前記筐体の内側に離脱する脆弱部が設けられており、
   離脱した前記脆弱部が前記正極バスバと前記負極バスバの双方と接触するように、前記正極バスバの一部と前記負極バスバの一部が、所定の距離を隔てて前記脆弱部の裏面に対向している、電力変換装置。

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