JP6770342B2 - 電動車両の電気ユニット - Google Patents

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Description

本発明は、電動車両の電気ユニットに関する。
電動車両は、バッテリ、インバータ、モータなど、高電圧が加わり大電流が流れる複数の電気部品を備える。これらの電気部品は、板状の導体であるバスバーを介して互いに接続されることがある。このような構成では、何ら対策をしないと、大電流に起因して大きな電磁ノイズが発生する。なお、バスバーとは、本来、電流を複数の導体に分配する母線の意味を含んでいるが、本明細書においては、板状に構成されて大電流を効率的に流す導体のことをバスバーと呼ぶ。
以前より、複数のバスバーを所定の組み合わせで対向配置することで、バスバーから放射される電磁ノイズを低減する技術が知られている。例えば、バッテリの陽極に接続されるPバスバーと陰極に接続されるNバスバーとを対向配置すると、PバスバーとNバスバーとに電流値が等しく互いに逆向きの電流がそれぞれ流れる。よって、Pバスバーの電流が発生する磁界とNバスバーの電流が発生する磁界とが打消し合って電磁ノイズが低減する。
一方、複数のバスバーを近接配置すると、大電流により発生した熱が集中して、この箇所が高熱になるという問題が生じる。このような熱の問題を解決する技術として、特許文献1には、ヒートシンクによって複数のバスバーを束ねて冷却する構造が開示されている。また、特許文献2には、複数のバスバーを板面が同一平面上に並ぶように配置し、絶縁部材により複数のバスバーの中間部を覆ったバスバーセットが開示されている。
また、電気自動車の電磁ノイズ耐性を向上する技術として、特許文献3には、コンデンサケースを電磁シールドとして機能させる三相インバータ装置が開示されている。
特開平06−351109号公報 特開2012−182047号公報 特開平11−136960号公報
上述したように、複数のバスバーを所定の組み合わせで対向配置すると電磁ノイズを低減できる。この場合、複数のバスバーが近接されるほど、電磁ノイズはより低減される。一方、熱の問題を考慮すると、複数のバスバーは余り近接させないほうが好ましい。このように、これらは二律背反の関係にある。
一方、熱の対策を行うことで、複数のバスバーを近接して配置することが可能となる。しかしながら、特許文献1に示されるように、ヒートシンクを用いて放熱を行う構成では、ヒートシンクを配置するために大きな空間が必要である。また、バスバーが長く、バスバーの複数の区間で冷却を要する場合には、このような空間が複数必要となる。また、特許文献2に示されるように複数のバスバーを広げて配置する構成では、バスバーのコンパクトな配置が難しい。従って、これらの構成を採用すると、バスバーの配線レイアウトの自由度が低下し、限られた空間にバスバーを配置することが困難になるという問題が生じる。
ところで、複数のバスバーを所定の組み合わせで対向配置する方法では、ノーマルモードの電流に起因する電磁ノイズを低減することができる。しかしながら、バスバーには、ノイズとして高周波のコモンモードの電流が混入することがある。コモンモードの電流は、例えばインバータの動作に起因して発生する。このような電流が混入されると、センサ又は電気回路に影響を及ぼしやすい高周波の電磁ノイズが発生する。コモンモードの電流は、複数のバスバーに同一方向に流れるため、複数のバスバーを近接させて配置しても電磁ノイズは低減しない。
本発明は、ノーマルモードの電流に起因する電磁ノイズとコモンモードの電流に起因する電磁ノイズの両方を抑制でき、加えて、バスバーの配線レイアウトの自由度を低下させずに高熱の発生を抑制できる電動車両の電気ユニットを提供することを目的とする。
請求項1に記載の発明は、
電動車両に搭載される複数の電気部品と、
電流経路に沿って長い板状の金属部材であり、前記複数の電気部品の間で電流を流す複数のバスバーと、
導電性と熱伝導性とを有し、所定の経路に沿って長い板状の部材である冷却バーと、
絶縁性と熱伝導性とを有し、前記複数のバスバーと前記冷却バーとを少なくとも一部の範囲で並列に保持する保持体と、
前記複数の電気部品を収容又は支持する金属製の構造体と、
を備え、
前記冷却バーは、少なくとも一箇所が前記構造体に熱的に接続され、互いに離間した少なくとも二箇所が前記構造体に導通または交流的に接続され
複数の前記電気部品のうち第1電気部品と第2電気部品とを接続する前記バスバーと、前記バスバーに対して一部が並列に配置される前記冷却バーと、前記第1電気部品および前記第2電気部品と容量接続される前記構造体と、が閉回路を構成する電動車両の電気ユニットとした。
請求項2に記載の発明は、請求項1記載の電動車両の電気ユニットにおいて、
前記複数のバスバーは2つの電気部品の間で電流を流す構成であり、
前記保持体は、前記複数のバスバーと前記冷却バーとをこの順に並べて保持し、且つ、前記複数のバスバーの前記構造体側に前記冷却バーを配置することを特徴とする。
請求項3に記載の発明は、
電動車両に搭載される複数の電気部品と、
電流経路に沿って長い板状の金属部材であり、前記複数の電気部品の間で電流を流す複数のバスバーと、
導電性と熱伝導性とを有し、所定の経路に沿って長い板状の部材である冷却バーと、
絶縁性と熱伝導性とを有し、前記複数のバスバーと前記冷却バーとを少なくとも一部の範囲で並列に保持する保持体と、
前記複数の電気部品を収容又は支持する金属製の構造体と、
を備え、
前記冷却バーは、少なくとも一箇所が前記構造体に熱的に接続され、互いに離間した少なくとも二箇所が前記構造体に導通または交流的に接続され、
前記複数のバスバーは、3つ以上の電気部品の内、第1組の2つの電気部品の間で電流を流す第1系統のバスバーと、前記3つ以上の電気部品の内、前記第1組と異なる第2組の2つの電気部品の間で電流を流す第2系統のバスバーとが含まれ、
前記保持体は、前記第1系統のバスバーと前記冷却バーと前記第2系統のバスバーとを、この順に並べて保持することを特徴とする電動車両の電気ユニットである。
請求項4に記載の発明は、請求項1から請求項3のいずれか一項に記載の電動車両の電気ユニットにおいて、
前記冷却バーの両端部が前記構造体に接続され、前記冷却バーと前記構造体の一部とが電気的な閉回路を構成することを特徴とする
請求項5に記載の発明は、請求項1から請求項4の何れか一項に記載の電動車両の電気ユニットにおいて、
前記保持体は、空気の熱伝導率より高い熱伝導率を有する材料から構成され、
前記複数のバスバーと前記冷却バーとが前記保持体に埋め込まれている構成とした。
本発明によれば、構造体と熱的に接続された冷却バーが複数のバスバーと少なくとも一部の範囲で並列に保持される。よって、バスバーの配線レイアウトの自由度を大きく低下させずに、複数のバスバーを冷却できる。さらに、冷却バーにより複数のバスバーが冷却されるので、複数のバスバーを近接配置できる。これによりノーマルモードの電流に起因する電磁ノイズを低減できる。加えて、冷却バーの離間した二箇所が構造体に導通または交流的に接続される。よって、複数のバスバーにコモンモードの高周波の電流が流れたときに、この電流を打ち消すような電流を冷却バーに流すことができる。これにより、コモンモードの電流に起因する電磁ノイズも低減できる。
本発明の実施形態に係る電動車両の電気ユニットを示す一部破断の概略図である。 バスバーと冷却バーの保持構造および配置例を示す一部破断の斜視図であり、(A)は第1例を示し、(B)は第2例を示す。 コモンモードの電流に起因する電磁ノイズが低減される作用を説明する図であり、(A)は冷却バーが有る場合の説明図、(B)は冷却バーが無い場合の説明図である。
以下、本発明の実施形態について図面を参照して詳細に説明する。図1は、本発明の実施形態に係る電動車両の電気ユニットを示す一部破断の概略図である。図2(A)は、バスバーと冷却バーとの保持構造および冷却バーの第1の配置例を示す一部破断の斜視図である。図2(B)は、バスバーと冷却バーとの保持構造および冷却バーの第2の配置例を示す一部破断の斜視図である。
本実施形態の電気ユニット1は、電動車両に搭載され、走行用の電力をモータに出力するユニットである。電気ユニット1は、複数の電気部品(10、20、30)、バスバー2、3、冷却バー4A、4B、バスバーケース5A、5B、金属筐体6A、金属フレーム6B、およびケーブル8を備える。バスバーケース5A、5Bは、本発明に係る保持体の一例に相当する。金属筐体6Aおよび金属フレーム6Bは本発明に係る金属製の構造体の一例に相当する。
電気部品(10、20、30)は、走行用の電力を扱う高電圧部品である。本実施形態では、電気部品の一例として、走行用の電力を蓄積するバッテリ10、バッテリ10の直流電圧を三相交流電圧に変換するインバータ20、ケーブル8を介して三相交流電圧をモータに出力する端子台30が適用されている。
バスバー2、3は、電流経路に沿って長い板状の部材であり、アルミ又は銅などの金属部材から構成される。本実施形態の電気ユニット1は、バッテリ10とインバータ20との間に接続される第1系統の2つのバスバー2と、インバータ20と端子台30との間に接続される第2系統の3つのバスバー3とを有する。バッテリ10とインバータ20とは第1組の2つの電気部品に相当し、インバータ20と端子台30とは第2組の2つの電気部品に相当する。
第1系統の2つのバスバー2は、バッテリ10の陽極と陰極とにそれぞれ電気的に接続され、バッテリ10とインバータ20との間で直流の電流を流す。第1系統の2つのバスバー2は、互いの板面が対向するように平行に並んで近接配置される。なお、2つのバスバー2は、全範囲においてこのように配置される必要はなく、長手方向に沿った半分以上の範囲でこのように配置されるとよい。
第2系統の3つのバスバー3は、インバータ20の三相の出力端子にそれぞれ接続され、インバータ20と端子台30との間で三相の交流電流を流す。第2系統の3つのバスバー3は、各板面が同一方向を向き、且つ、3つのバスバー3が各板面に直交する方向に並列される。なお、3つのバスバー3は、全範囲においてこのように配置される必要はなく、長手方向に沿った半分以上の範囲で、このように配置されるとよい。
冷却バー4A、4Bは、導電性と熱伝導性とを有し、所定経路に沿って長い板状の部材である。冷却バー4A、4Bは、バスバーケース5A、5Bより高い熱伝導率を有するとよく、加えて、バスバー2、3と同様の導電性を有するとよい。冷却バー4A、4Bは、例えばアルミ又は銅などの金属部材から構成できる。
この実施形態では、第1系統の2つのバスバー2に対応して1本の冷却バー4Aが設けられ、第2系統の3つのバスバー3に対応して1本の冷却バー4Bが設けられている。冷却バー4Aは、少なくとも一部の範囲で、第1系統の複数のバスバー2に沿って配置される。バスバー2に沿った範囲において、冷却バー4Aは、板面を1つのバスバー2の板面に対向させて、2つのバスバー2と並列される。冷却バー4Aは、バスバー2の長手方向に沿った半分以上の範囲で、このようにバスバー2に沿って配置されるとよい。冷却バー4Aの両端部は、金属フレーム6Bに接続される。
もう一方の冷却バー4Bも、第2系統のバスバー3に対応して同様に配置される。冷却バー4Bの両端部は金属フレーム6Bに接続される。
バスバーケース5A、5Bは、バスバー2、3と冷却バー4A、4Bとを保持する部材である。バスバーケース5A、5Bは、空気の熱伝導率より高い熱伝導率を有し、さらに絶縁性を有する。バスバーケース5A、5Bの材料としては、例えばポリプロピレン又はポリプロピレンテレフタレートなどの樹脂、或いは、これらに熱伝導フィラーを配合した高熱伝導性樹脂を適用できる。
図2(A)に示すように、バスバーケース5Aは、少なくとも一部の範囲で、複数のバスバー2と冷却バー4Aとを近接させて保持する。バスバーケース5A内において、複数のバスバー2と冷却バー4Aとは、この順に並列される。バスバーケース5Aは、複数のバスバー2の長手方向の半分以上の範囲で、このように複数のバスバー2と冷却バー4Aとを保持するとよい。
バスバーケース5Aには、複数のバスバー2と冷却バー4Aとが埋め込まれている。このような構成はインサート成形などにより達成できる。或いは、図2(A)に示すように、バスバーケース5Aが複数の溝を有し、これらの溝に複数のバスバー2と冷却バー4Aとが嵌め込まれた構成を採用してもよい。この場合、溝幅を大きめに構成し、複数のバスバー2と溝の内面との間、並びに、冷却バー4Aと溝の内面との間に、熱伝導率の高い材料を挟んで、これらが密接する構成としてもよい。
もう一方のバスバーケース5Bも、同様に複数のバスバー3と冷却バー4Bとを保持する。バスバーケース5B内において、3つのバスバー3と冷却バー4Bとはこの順に並列される。
なお、図2(B)に示すようなバスバーケース5Cを採用してもよい。図2(B)は、配線レイアウトの都合により、第1系統のバスバー2と第2系統のバスバー3とが、一部分で近接して並列する配線レイアウトが採用された場合を示している。この場合、バスバーケース5Cは、第1系統のバスバー2と第2系統のバスバー3と冷却バー4Cとを並列に保持する。バスバーケース5C内において、第1系統の複数のバスバー2、冷却バー4C、第2系統の複数のバスバー3は、この順に並列されるとよい。このような配置により、冷却バー4Cが第1系統の複数のバスバー2と第2系統の複数のバスバー3との間で電磁シールドとして機能する。これにより、第1系統のバスバー2と第2系統のバスバー3の電気的な干渉(誘導結合)を低減できる。
金属筐体6Aは、複数の電気部品(10、20、30)、複数のバスバー2、3、冷却バー4A、4B、およびバスバーケース5A、5Bを収容する。また、金属フレーム6Bは、複数の電気部品(10、20、30)を支持する。金属筐体6Aおよび金属フレーム6Bは電動車両のボディアースに電気的に接続されてもよい。なお、金属筐体6Aの代わりに、電磁シールド材に覆われた樹脂製の筐体が採用されてもよい。また、金属フレーム6Bを省き、金属筐体6Aに複数の電気部品(10、20、30)が支持される構成としてもよい。
なお、図1では、簡略化して、バスバー2、3および冷却バー4A、4Bを直線状に示し、バスバーケース5A、5Bを直方体状に示している。しかしながら、通常、バスバー2、3は配線レイアウト上の要求から任意の経路で曲がった形状となる。この場合、冷却バー4A、4Bとバスバーケース5Aは、それぞれバスバー2、3の経路に沿って曲がった形態に構成される。また、複数の電気部品(10、20、30)を接続する導体は、全区間をバスバーにより構成する必要はなく、一部の区間にケーブルが挟まれてもよい。
<放熱および電磁ノイズ低減の作用>
続いて、実施形態の電気ユニット1の放熱および電磁ノイズ低減の作用について説明する。本実施形態では、第1系統の複数のバスバー2が冷却バー4Aと並列されてバスバーケース5Aに保持される。また、第2系統の複数のバスバー3が冷却バー4Bと並列されてバスバーケース5Bに保持される。従って、複数のバスバー2に発生したジュール熱は、バスバーケース5A、冷却バー4A、および金属フレーム6Bへと伝わって放散される。同様に、複数のバスバー3に発生したジュール熱は、バスバーケース5B、冷却バー4B、金属フレーム6B、および金属筐体6Aへと伝わって外部に放散される。このように複数のバスバー2、3は、長手方向の多くの区間において冷却バー4A、4Bに熱を放散させて効率的に冷却される。
さらに、本実施形態では、複数のバスバー2、3が効率的に冷却されるので、系統毎に複数のバスバー2、3を近接した配置にできる。そして、このような配置により、複数のバスバー2、3に流れるノーマルモードの電流に起因する電磁ノイズを低減できる。具体的には、2つのバスバー2には互いに逆向きの電流が流れるので、2つのバスバー2が近接することで、これらの電流により発生する磁界が打ち消し合って電磁ノイズが低減される。また、3つのバスバー3には足し合わせるとゼロになる三相交流電流が流れるので、3つのバスバー3が近接することで、これらの電流により発生する磁界が打ち消し合って電磁ノイズが低減される。
さらに、本実施形態では、複数のバスバー2、3に沿って冷却バー4A、4Bが設けられ、冷却バー4A、4Bの両端部が金属フレーム6Bに接続されている。これらによって、複数のバスバー2、3の各々に流れるコモンモードの電流に起因した電磁ノイズを低減することができる。続いて、この理由について説明する。
図3は、コモンモードの電流に起因する電磁ノイズが低減される作用を説明する図であり、(A)は冷却バーが有る場合の説明図、(B)は冷却バーが無い場合の説明図である。
高電圧が加えられる電気部品は、寄生容量を介して近接する導電体と容量接続される。図3の例では、寄生容量C101、C102を介してバッテリ10とインバータ20とが金属フレーム6Bと容量接続されている。さらに、インバータ20では、高速にパワートランジスタがオンとオフとに切り替えられる。このような構成では、図3(A)、(B)に示すように、寄生容量C101、C102を介して複数のバスバー2に同方向のコモンモードの電流が高周波ノイズとして流れる。図3(A)、(B)において、一点鎖線の矢印によりコモンモードの電流を示す。
図3(B)に示すように、冷却バー4Aが無い場合、複数のバスバー2に流れたコモンモードの電流は金属フレーム6Bを伝わってバッテリ10からインバータ20へ、或いは、その逆へ流れる。従って、コモンモードの電流ループの面積S1が大きくなる。交流電流が流れる閉ループの面積が大きくなると、交流電流によって発生する磁束は大きくなる。従って、図3(B)の構成では、比較的に大きな電磁ノイズが発生する。
一方、図3(A)に示すように、複数のバスバー2の金属フレーム6B側に冷却バー4Aが設けられると、複数のバスバー2に流れた高周波のコモンモードの電流は、金属フレーム6Bよりも冷却バー4Aに流れて戻る。これは、金属フレーム6Bを通る閉回路よりも、冷却バー4Aを通る閉回路のほうが、低インピーダンスとなるからである。両者のインピーダンスは、閉回路のインダクタンスの大きさだけ異なる。インダクタンスは、閉回路のループ面積が小さいほうが小さくなる。このため、冷却バー4Aを通る閉回路のほうが低インピーダンスとなる。
従って、本実施形態の電気ユニット1では、図3(A)に示すように、複数のバスバー2に流れるコモンモードの電流は、複数のバスバー2に並列された冷却バー4Aを介して戻る。従って、コモンモードの電流ループの面積S0は小さくなり、これに起因する電磁ノイズが低減する。
第2系統のバスバー3および冷却バー4Bについても同様である。
以上のように、本実施形態の電気ユニット1によれば、バスバー2、3に並列される冷却バー4A、4Bによって、バスバー2、3の多くの範囲からジュール熱を吸収し、これを金属フレーム6Bへ導いて、金属筐体6Aから外部へ放散できる。バスバー2、3は金属筐体6Aによってほぼ密閉された空間内に配置されるため、金属筐体6Aより外への放熱は非常に有効である。
さらに、複数のバスバー2、3と冷却バー4A、4Bとは、所定経路に沿って長い板状の構成であり、加えて、互いの板面が対向する向きで並列される。よって、冷却バー4A、4Bを含めても、これらの構成をコンパクトにでき、バスバー2、3のレイアウト自由度が余り低下しない。
さらに、バスバー2、3と冷却バー4A、4Bとは同様の製造プロセスで製造できるため、製造コストも低く抑えられる。さらに、2つのバスバー2と冷却バー4Aとはバスバーケース5Aによって一体的にできる。また、3つのバスバー3と冷却バー4Bとはバスバーケース5Bによって一体的にできる。これらによって、電気ユニット1の組立工程においてバスバー2、3と冷却バー4A、4Bとの組付け作業性が向上する。
加えて、本実施形態の電気ユニット1によれば、上述のように、バスバー2、3に流れるノーマルモードの電流に起因する電磁ノイズと、コモンモードの電流に起因する電磁ノイズとの両方を低減することができる。
以上、本発明の実施形態を説明した。しかしながら、本発明はこれに限られるものではない。例えば、上記実施形態では、冷却バー4A、4Bの両端部を金属フレーム6Bに接続した構成を示した。しかし、冷却バー4A、4Bは、少なくとも一箇所が熱的に金属製の構造体に接続され、且つ、互いに離間した少なくとも二箇所が金属製の構造体に導通或いは交流的に接続されればよい。熱的な接続とは、直接の接続だけでなく、熱伝導性の高い部材を介した接続など、直接に接続したのと同程度に熱を伝達できる接続を含んだ態様を意味する。交流的な接続とは、直接の接続だけでなく、例えば、絶縁性を有する薄い部材を介した面接触など、直接に接続したのと同程度にコモンモードの電流を流すことのできる接続を含んだ態様を意味する。
また、上記実施形態では、複数の電気部品としてバッテリ、インバータ、および端子台を適用した例を示したが、走行用モータ、発電機、コンバータなど、高電圧が加えられる様々な電気部品が適用されてもよい。また、本明細書においては電動車両をハイブリッド電気自動車、又は、電気自動車と読み替えてもよい。
1 電気ユニット
2、3 バスバー
4A、4B 冷却バー
5A、5B、5C バスバーケース(保持体)
6A 金属筐体(構造体)
6B 金属フレーム(構造体)
10 バッテリ(電気部品)
20 インバータ(電気部品)
30 端子台(電気部品)

Claims (5)

  1. 電動車両に搭載される複数の電気部品と、
    電流経路に沿って長い板状の金属部材であり、前記複数の電気部品の間で電流を流す複数のバスバーと、
    導電性と熱伝導性とを有し、所定の経路に沿って長い板状の部材である冷却バーと、
    絶縁性と熱伝導性とを有し、前記複数のバスバーと前記冷却バーとを少なくとも一部の範囲で並列に保持する保持体と、
    前記複数の電気部品を収容又は支持する金属製の構造体と、
    を備え、
    前記冷却バーは、少なくとも一箇所が前記構造体に熱的に接続され、互いに離間した少なくとも二箇所が前記構造体に導通または交流的に接続され
    複数の前記電気部品のうち第1電気部品と第2電気部品とを接続する前記バスバーと、前記バスバーに対して一部が並列に配置される前記冷却バーと、前記第1電気部品および前記第2電気部品と容量接続される前記構造体と、が閉回路を構成することを特徴とする電動車両の電気ユニット。
  2. 前記複数のバスバーは2つの電気部品の間で電流を流す構成であり、
    前記保持体は、前記複数のバスバーと前記冷却バーとをこの順に並べて保持し、且つ、前記複数のバスバーの前記構造体側に前記冷却バーを配置することを特徴とする請求項記載の電動車両の電気ユニット。
  3. 電動車両に搭載される複数の電気部品と、
    電流経路に沿って長い板状の金属部材であり、前記複数の電気部品の間で電流を流す複数のバスバーと、
    導電性と熱伝導性とを有し、所定の経路に沿って長い板状の部材である冷却バーと、
    絶縁性と熱伝導性とを有し、前記複数のバスバーと前記冷却バーとを少なくとも一部の範囲で並列に保持する保持体と、
    前記複数の電気部品を収容又は支持する金属製の構造体と、
    を備え、
    前記冷却バーは、少なくとも一箇所が前記構造体に熱的に接続され、互いに離間した少なくとも二箇所が前記構造体に導通または交流的に接続され、
    前記複数のバスバーは、3つ以上の電気部品の内、第1組の2つの電気部品の間で電流を流す第1系統のバスバーと、前記3つ以上の電気部品の内、前記第1組と異なる第2組の2つの電気部品の間で電流を流す第2系統のバスバーとが含まれ、
    前記保持体は、前記第1系統のバスバーと前記冷却バーと前記第2系統のバスバーとを、この順に並べて保持することを特徴とする電動車両の電気ユニット。
  4. 前記冷却バーの両端部が前記構造体に接続され、前記冷却バーと前記構造体の一部とが電気的な閉回路を構成することを特徴とする請求項1から請求項3のいずれか一項に記載の電動車両の電気ユニット。
  5. 前記保持体は、空気の熱伝導率より高い熱伝導率を有する材料から構成され、
    前記複数のバスバーと前記冷却バーとが前記保持体に埋め込まれていることを特徴とする請求項1から請求項4の何れか一項に記載の電動車両の電気ユニット。
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