JP6818844B1 - 電力変換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】コンデンサと放電抵抗とをバスバーを用いずに簡素化した構成により接続することができる電力変換装置を提供する。【解決手段】電力変換装置１００のコンデンサ１と放電抵抗２との接続をＰ、Ｎ線となるワイヤハーネスにより行う。コンデンサ１と放電抵抗２とを第一のワイヤハーネス２１によって直接的に接続して一体化する。さらに、コンデンサ１と放電抵抗２のそれぞれから引き出された第二のワイヤハーネス２２、第三のワイヤハーネス２３の先端部にそれぞれ圧着端子２２ａ、２３ａを設け、圧着端子同士を接続することによって導通状態を得る。圧着端子２２ａ、２３ａを接続しない状態において、コンデンサ１の性能検査を行うことを可能とした。【選択図】図１

Description

本願は、電力変換装置に関するものである。

ハイブリッドカー、或いは電気自動車に用いられる電力変換装置は、車両駆動用の回転電機と車載バッテリとの間の電力変換を行うように構成されている。
例えば、回転電機が三相交流回転電機であれば、上述の電力変換装置は、６個の半導体スイッチング素子により構成された三相ブリッジ回路からなる電力変換回路を備える。三相ブリッジ回路は、その直流側端子が車載バッテリの電極端子に接続され、交流側端子が回転電機の電機子巻線の巻線端子に接続される。

上述の回転電機を車両駆動のための電動機として動作させる場合、車載バッテリからの直流電力は、電力変換装置により三相交流電力に変換されて回転電機に供給される。一方、回転電機を回生制動時のように発電機として動作させる場合は、回転電機が発生する三相交流電力は、電力変換装置により直流電力に変換されて車載バッテリに供給される。

周知のように、上述の電力変換装置は、電力変換回路の正負の直流端子間に接続された平滑コンデンサを備える。電力変換回路からの直流電力は、電源回路で整流後も発生するリップルを抑え、より直流に近くなるように電圧を平滑化する平滑コンデンサにより平滑化されて車載バッテリに供給される。上述の平滑コンデンサには、比較的大容量のコンデンサが用いられる。例えば、平滑コンデンサは、複数のコンデンサ素子をバスバーにより並列接続して大容量化し、これ等を樹脂により一体に封止した樹脂モールド型コンデンサを用いる場合がある。

また、電力変換装置には、残留電荷を放電させるための放電抵抗が搭載されている。放電抵抗を備えることで、電力変換装置が停止した場合であってもコンデンサ内に残留した電荷を、放電抵抗を介して放電することができ、例えば、車両の衝突時およびメンテナンス時おける感電の危険性を排除する効果が得られる。この放電抵抗はコンデンサと直接接続または、端子台を介して接続されている。

従来の電力変換装置にあっては、放電抵抗から突出したバスバーをコンデンサに溶接することで、コンデンサと放電抵抗とを接続し、コンデンサの放電電流を放電抵抗に流して放電していた。
そして、放電抵抗において発した熱は、放電抵抗放熱用の放熱板と、その放熱板を冷却する流路にて放熱されていた（例えば、特許文献１参照）。
また、別の装置の放電機構を開示した文献にあっては、二つの素子から個々に伸びるワイヤ状の導線を接続して短絡する技術が開示されている（例えば、特許文献２参照）。

特開2012-217322号公報 特許第5733320号公報

特許文献１に開示された従来の電力変換装置では、コンデンサと放電抵抗とがバスバー接続されていたため、次のような課題があった。まず、放電抵抗において発生した熱がワイヤ状の導線よりも熱抵抗が小さいバスバーを介してコンデンサに伝わらないように熱の流れを制御するために、放電抵抗の熱を放電板を介して放電する必要があった。さらに、放熱板および冷却流路等のバスバー利用に伴って必要となる冷却構成部があった。また、放電抵抗から発生した熱を放熱するために、バスバーの展開面積拡大が必要であった。そのため、部品点数増加、バスバーの使用量増加、冷却流路の複雑化、それらの部材を配置するスペースの確保が必要となり省スペース化が困難であった。また、放電抵抗から突出したバスバーを端子台に接続する際に、フレームに実装した後に溶接する必要があり、設備費等の製造コスト増加という課題があった。
そして、コンデンサと放電抵抗とをバスバー接続した構成において、放熱板等の冷却構成部を用いない場合には、バスバーを介して放電抵抗の熱がコンデンサに伝わり、放熱性が低下するという課題があった。

本願は、上記のような課題を解決するための技術を開示するものであり、コンデンサと放電抵抗とをバスバーを用いない簡素化した形態にて接続することを可能とし、放熱性を向上させることが可能な電力変換装置を提供することを目的とする。

本願に係わる電力変換装置は、電力変換回路の正負の直流端子間に接続され、電圧を平滑化するコンデンサ、上記コンデンサに残留する電荷が放電される放電抵抗、上記コンデンサの第一の端子部に接続され、上記コンデンサと上記放電抵抗とを接続した第一のワイヤハーネス、上記コンデンサの上記第一の端子部と電気的に離間された第二の端子部から引き出された第二のワイヤハーネス、上記放電抵抗から引き出された第三のワイヤハーネスを備え、上記第二のワイヤハーネスと上記第三のワイヤハーネスが締結されたことを特徴とするものである。

本願の電力変換装置によれば、コンデンサと放電抵抗とを第一のワイヤハーネスにより接続して一体化した上で、第二のワイヤハーネスと第三のワイヤハーネスとを連結することによって正負両方の配線を接続して残留電荷を放電することができ、バスバーよりも熱抵抗が大きいワイヤハーネスを用いた接続であるため、バスバーを用いた場合より放電抵抗の熱がコンデンサに伝わりにくく、放熱性を向上させることができる。

実施の形態１による電力変換装置の概要を示す斜視図である。 図１の電力変換装置を裏面側から観察した下面図である。 図２の電力変換装置の要部拡大図である。 圧着端子を固定する締結固定部の拡大断面図である。 実施の形態２による電力変換装置の概要を示す斜視図である。 図５の電力変換装置の側面図である。 冷却水路を含む電力変換装置の分解斜視図である。

実施の形態１．
本願の実施の形態１による電力変換装置１００について、図１から図４を用いて説明する。電力変換装置１００は電力変換回路の正負の直流端子間に接続されたコンデンサ１（平滑コンデンサまたは樹脂モールド型コンデンサ）と、コンデンサ１の残留電荷が放電される放電抵抗２とを備えており、コンデンサ１の正極、負極側と放電抵抗２とはＰ、Ｎ線となるワイヤハーネスによって接続されている。
図１は実施の形態１による電力変換装置１００の概要を示す斜視図であり、図２は図１の電力変換装置１００を裏面側から観察した下面図であり、図３は二本のワイヤハーネスの先端部同士を接続した状態を示す図２の要部拡大図であり、図４は二つの圧着端子を固定した締結固定部１２の拡大断面図である。

図１は実施の形態１による電力変換装置１００の概要を示す斜視図であり、コンデンサ本体を樹脂封止したコンデンサ１と放電抵抗２を備え、放電抵抗２の熱が放熱される図示しないベース上において、コンデンサ１と放電抵抗２は互いに離間して配置され、Ｐ、Ｎ線となるワイヤハーネスを介して接続されている。コンデンサ１の上面および側面は筐体１０で覆われており、筐体１０の側面部の一部から側方に壁面部１１が延設されている。図示しないベースの上面に立設された壁面部１１の一方の側面にはワイヤハーネス先端部を固定する端子台となる締結固定部１２が設けられている。

Ｐ、Ｎ線となるワイヤハーネスのうち一方は、コンデンサ１と放電抵抗２とを直接的に接続する第一のワイヤハーネス２１であり、もう一方はコンデンサ１から引き出された第二のワイヤハーネス２２と放電抵抗２から引き出された第三のワイヤハーネス２３とを連結して適用する。なお、図１の例では第二のワイヤハーネス２２と第三のワイヤハーネス２３とが未接続の状態であることを示しているが、後述する図３等に示すように、締結固定部１２にて締結するなどしてワイヤハーネス同士が接続される。

コンデンサ１から引き出された第二のワイヤハーネス２２の先端部には導電部が露出して設けられており、例えば導電部として圧着端子２２ａが設けられている。同様に、放電抵抗２から引き出された第三のワイヤハーネス２３の先端部には圧着端子２３ａが設けられている。

コンデンサ１の筐体１０から延設された壁面部１１と一体となるように締結固定部１２が設けられているため、コンデンサ１から引き出された第二のワイヤハーネス２２の長さは、例えば、筐体１０の第二のワイヤハーネス２２の引き出し位置と締結固定部１２との間の距離に余裕を持たせた長さに設定することができる。また、締結固定部１２と放電抵抗２との間に配線される第三のワイヤハーネス２３は、放電抵抗２の配置に合わせてその長さを調整すればよく、コンデンサ１に対する放電抵抗２の配置の自由度を高めることができる。

放電抵抗２は、図示しないベース上に搭載され、Ｐ、Ｎ線となるワイヤハーネスによってコンデンサ１と短絡された状態となると、コンデンサ１の残留電荷が放電抵抗２に放電されて発熱する。放電抵抗２において生じた熱はベースに放熱される。
放電抵抗２は、例えば本体部底面から側方に突出する２つの突起部２ａを備えており、突起部２ａに形成された孔部に締結用ネジ等を挿通させて放電抵抗２をベース３の上面に搭載することができる。

図２は、図１の電力変換装置１００を裏面側から観察した下面図であり、後述するベース３に搭載する前の段階における構成を示している。図２の例では、コンデンサ１内の一つの電極である第一の端子部１ａと第一のワイヤハーネス２１とが接続され、コンデンサ１内の別の電極である第二の端子部１ｂと第二のワイヤハーネス２２とが接続されている。図２に例示するように、コンデンサ１の電極と第一のワイヤハーネス２１および第二のワイヤハーネス２２との接続部が樹脂モールド内に位置する場合は、電極と配線との安定した接続状態を得ることができる。なお、モールド外において電極と配線を接続することも可能である。

ここで、樹脂モールドされたコンデンサ１と放電抵抗２とをＰ、Ｎ線の両方でワイヤ接続すると平滑コンデンサの特性検査を正常に行うことができない。そこで、一方のワイヤを非接続として放電抵抗２の影響を排除し、コンデンサ１の特性検査を適切に行う。具体的には、Ｎ線となる第一のワイヤハーネス２１によってコンデンサ１と放電抵抗２との一体化を図り、Ｐ線となる第二のワイヤハーネス２２と第三のワイヤハーネス２３とを締結しない状態にてコンデンサ１の特性検査を実施する。これにより、第二のワイヤハーネス２２と第三のワイヤハーネス２３との接続はコンデンサ１の品質を確認した上で行うことが可能であり、製品の品質を安定化させることができる。

第二のワイヤハーネス２２と第三のワイヤハーネス２３とを接続する際は、図３に示すように、筐体１０に延設された壁面部１１の一側面に配置された台座（端子台）である締結固定部１２に締結固定する。その際、締結固定部１２の表面に設けられた溝部に第二のワイヤハーネス２２の先端部の圧着端子２２ａと第三のワイヤハーネス２３の先端部の圧着端子２３ａを嵌合させて位置決めする。

図４に例示するように、締結固定部１２には端子載置面に露出するようにナット１２ｂが埋設され、圧着端子２２ａ、２３ａをナット１２ｂ上に重ねて配置した状態で締結用ネジ１２ａにて締結固定することで端子間の電気的接続が可能となる。この時、締結用ネジ１２ａを用いて接続するため、締結のための溶接作業が必要ではなく、容易に組立てを行うことができる。ここで、締結固定部１２の端子載置面は、図２、図３に例示したように台座の裏面側とする以外に、台座の表面側など別の向きに設けることも可能である。

ここで、コンデンサ１の筐体１０に延設した締結固定部１２には、圧着端子２２ａ、２３ａをそれぞれ収納するための溝部が異なる方向に伸びるように設けられている。締結固定部１２の溝部に圧着端子２２ａ、２３ａをそれぞれ収納することにより、締結用ネジ１２ａで締め付ける際、締結用ネジ１２ａの回転に伴う圧着端子２２ａ、２３ａの回転を防止することができる。

また、上述の例では、中間接続が必要となるワイヤハーネス先端部に圧着端子２２ａ、２３ａを設けた場合を示したが、圧着端子以外の形態とすることも可能であることは言うまでもない。
なお、ワイヤハーネスと圧着端子の組み合わせをワイヤハーネスとコネクタに変更した場合には、コネクタを用いることによるコスト高、コネクタ半嵌合の懸念があるが、コネクタに代えて圧着端子を用いていることで低コスト化、締結用ネジによる締結安定性向上等の効果を得ることができる。

この実施の形態１による電力変換装置１００の構成にあっては、第一のワイヤハーネス２１の長さ、および、連結した第二のワイヤハーネス２２と第三のワイヤハーネス２３の総長を十分に長くすることが容易であり、コンデンサ１と放電抵抗２との距離を十分に確保することが可能となる。よって、ワイヤハーネス（符号２１、２２、２３で示す）を介してコンデンサ１が受ける放電抵抗２からの発熱の影響を低減することが可能となる。

このように、本願によればコンデンサ１と放電抵抗２とをワイヤハーネス（２１、２２、２３）にて接続したため、バスバー利用の場合よりも電流抵抗と熱抵抗を大きくでき、放電抵抗２の熱がコンデンサ１に逆流することを抑制して放熱の方向を規制し、放熱性を向上させることができる。そして、ワイヤハーネス利用の簡素化した接続形態であるため、低コスト化、省スペース化が可能であり、二本のワイヤハーネス（２２、２３）を締結しない状態で品質検査を行うことが容易であり、製品の品質安定性向上の効果をも得ることができる。

実施の形態２．
次に、実施の形態２による電力変換装置１００について図５から図７を用いて説明する。上述の実施の形態１ではコンデンサ１と放電抵抗２とが分離された配置である場合について説明したが、この実施の形態２ではコンデンサ１に放電抵抗２を固定することが可能な変形例について説明する。
コンデンサ１と放電抵抗２の位置関係が定まっていない場合、組立性が悪く安定した輸送が困難となるが、この実施の形態２の電力変換装置１００ではコンデンサ１の筐体１０の一部を変形させて放電抵抗保持部１３を設け、放電抵抗２を安定的に保持するため、組立性、輸送性を向上させることができる。

図５は、この実施の形態２による電力変換装置１００の概要を示す斜視図であり、図６は、図５の電力変換装置１００の側面図であり、図７は、冷却水路の構成部としてウォータージャケット４を備えた電力変換装置１００の分解斜視図をそれぞれ示している。

図５および図６に示すように、実施の形態２の電力変換装置１００では、コンデンサ１の筐体１０から延設された壁面部１１の一方の側面に第二のワイヤハーネス２２と第三のワイヤハーネス２３とを締結固定する締結固定部１２が設けられ、壁面部１１の他方の側面に放電抵抗２を固定する放電抵抗保持部１３が設けられている。

放電抵抗保持部１３は、例えば放電抵抗２の本体部底面から側方に突出する２つの突起部２ａ（相反する方向に突出）を嵌合させる溝状の嵌合部を備えている。放電抵抗２の突起部２ａに放電抵抗保持部１３の嵌合部に挿入することで放電抵抗２をコンデンサ１に一体化させて保持することができる。

放電抵抗保持部１３に保持された放電抵抗２の底面とベース３の上面との間には放熱シート３０が介在しており、放電抵抗２のベース３への放熱を容易化している。放熱シート３０は、ベース３の上面に配設しておくことで、放電抵抗２が一体化されたコンデンサ１をベース３に組付けると同時に放電抵抗２の底面に接した状態とすることができる。そして、この放熱シート３０を放電抵抗２とベース３との間に介在させることで両者間の公差を吸収することができる。

ここで、コンデンサ１から引き出された第一のワイヤハーネス２１と、締結固定部１２から延ばされた第三のワイヤハーネス２３とは、いずれも壁面部１１の上部を通過して放電抵抗２に至る形状に配置され、凸形状となっている分だけ直線状のものよりもワイヤ長を確保することができ、放電抵抗２の熱がこれらのワイヤを介してコンデンサ１側に伝達されることを抑制している。

なお、図６に示すように、コンデンサ１の下面側にはベース３を貫通してパワーモジュール、リアクトル等の他の部品に接続するための端子部１ｃが露出している。
また、第一のワイヤハーネス２１と第三のワイヤハーネス２３とをインシュロックにて結束する場合があり、インシュロックが配置される部分にはワイヤを保護する目的で保護膜が設けられる。

また、図７に示すように、ベース３のコンデンサ１の設置面とは反対の裏面側には冷却水路が設けられる。冷却水路を構成するウォータージャケット４には、冷却流路４ｃとなる凹部と、冷却水を冷却流路４ｃに流入させるための冷却水流入口４ａと、冷却水路４ｃ内の冷却水を外部に排出するための冷却水流出口４ｂを備えている。冷却水の流入、流出方向は逆方向となる場合がある。
なお、放電抵抗２の直下に冷却流路４ｃを配設することによって放熱性が向上することは言うまでもない。

以上の構成を有する電力変換装置１００によれば、コンデンサ１の筐体１０に放電抵抗２を一体化させることで、組立、輸送が容易となるとともに、放電抵抗２を組付けるネジ等の締結材を削減することができ、省スペース化を実現することができる。そして、放熱シート３０を備えたことより積極的に熱をベース３に伝達することで放熱性を向上させることができ、放電抵抗２とベース３との間の公差を吸収することができる。

本開示は、例示的な実施の形態が記載されているが、実施の形態に記載された様々な特徴、態様、及び機能は特定の実施の形態の適用に限られるのではなく、単独で、または様々な組み合わせで実施の形態に適用可能である。
従って、例示されていない無数の変形例が、本願明細書に開示される技術の範囲内において想定される。例えば、少なくとも１つの構成要素を変形する場合、追加する場合または省略する場合が含まれるものとする。

１ コンデンサ、 １ａ 第一の端子部、 １ｂ 第二の端子部、 １ｃ 端子部、 ２ 放電抵抗、 ２ａ 突起部、 ３ ベース、４ ウォータージャケット、 ４ａ 冷却水流入口、 ４ｂ 冷却水流出口、 ４ｃ 冷却流路、 １０ 筐体、 １１ 壁面部、 １２ 締結固定部、 １２ａ 締結用ネジ、 １２ｂ ナット、 １３ 放電抵抗保持部、 ２１ 第一のワイヤハーネス、 ２２ 第二のワイヤハーネス、 ２２ａ、２３ａ 圧着端子、 ２３ 第三のワイヤハーネス、 ３０ 放熱シート、 １００ 電力変換装置

Claims (10)

1. 電力変換回路の正負の直流端子間に接続され、電圧を平滑化するコンデンサ、
   上記コンデンサに残留する電荷が放電される放電抵抗、
   上記コンデンサの第一の端子部に接続され、上記コンデンサと上記放電抵抗とを接続した第一のワイヤハーネス、
   上記コンデンサの上記第一の端子部と電気的に離間された第二の端子部から引き出された第二のワイヤハーネス、
   上記放電抵抗から引き出された第三のワイヤハーネスを備え、
   上記第二のワイヤハーネスと上記第三のワイヤハーネスが締結されたことを特徴とする電力変換装置。
2. 上記第一のワイヤハーネスは上記コンデンサの負極側に、上記第二のワイヤハーネスは上記コンデンサの正極側にそれぞれ接続されたことを特徴とする請求項１記載の電力変換装置。
3. 上記第二のワイヤハーネス、上記第三のワイヤハーネスのいずれか一方若しくは両方の先端部に圧着端子が設けられ、上記圧着端子を介して上記第二のワイヤハーネスと上記第三のワイヤハーネスが締結されたことを特徴とする請求項１または請求項２記載の電力変換装置。
4. 上記第二のワイヤハーネスの先端部と上記第三のワイヤハーネスの先端部とを締結固定する台座となる締結固定部が上記コンデンサを収納する筐体の一部から延出されて上記筐体の外側に設けられ、上記締結固定部に上記第二のワイヤハーネスの先端部と上記第三のワイヤハーネスの先端部とが締結用ネジによって固定されたことを特徴とする請求項１から３のいずれか一項記載の電力変換装置。
5. 上記締結固定部には、上記第二のワイヤハーネスの先端部と上記第三のワイヤハーネスの先端部を収納する溝部が設けられたことを特徴とする請求項４記載の電力変換装置。
6. 上記コンデンサを収納する筐体の一部から延出されて上記コンデンサを組付けたベースの上面に立設された壁面部が設けられ、上記壁面部の一方の側面に上記締結固定部が配置されるとともに、上記壁面部の他方の側面に上記放電抵抗が配置されたことを特徴とする請求項４記載の電力変換装置。
7. 上記第一のワイヤハーネスと上記第三のワイヤハーネスとは、上記壁面部の上部を通過する形状に配置されたことを特徴とする請求項６記載の電力変換装置。
8. 上記壁面部の他方の側面から延出され、上記放電抵抗を保持する放電抵抗保持部が設けられたことを特徴とする請求項６記載の電力変換装置。
9. 上記放電抵抗保持部に保持された上記放電抵抗の底面と、上記コンデンサを組付けた上記ベースの上面との間に放熱シートが配設されたことを特徴とする請求項８記載の電力変換装置。
10. 上記ベースの裏面側に冷却水路が配設されたことを特徴とする請求項９記載の電力変換装置。

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