JP6988663B2 - 防振マウント付電力変換装置 - Google Patents

Description

本明細書が開示する技術は、電力変換装置に関する。特に、筺体に防振マウントを備えた電力変換装置に関する。

特許文献１に、減衰特性を調整することのできる制振装置が開示されている。その制振装置は、磁気粘性流体を封止した防振マウントとコイルで構成されている。磁気粘性流体は、受ける磁界の強さに応じて粘性が変化する流体である。特許文献１の制振装置は、コイルによって磁気粘性流体に与える磁界の強さを調整することで、減衰特性を調整することができる。

特開２０００−２７４４７８号公報

本明細書が開示する技術は、電圧変換回路が備えているリアクトルを防振マウントの磁気粘性流体（あるいは電気粘性流体）の粘性調整に活用した防振マウント付電力変換装置を提供する。リアクトルを利用することで、粘性調整専用のコイルが不要となる。

本明細書が開示する電力変換装置は、並列に接続されている複数の電圧変換回路と、磁気粘性流体または電気粘性流体を封止した防振マウントを備えている。そして、複数の電圧変換回路のうちの一つに含まれているリアクトルの発生する磁界が磁気粘性流体または電気粘性流体を通過するように防振マウントが配置されている。すなわち、リアクトルが発生する磁界によって磁気粘性流体（防振マウント）の減衰特性を調整する。なお、電気粘性流体は与える電界の強さに応じて粘性が変化する流体である。リアクトルは、磁界とともに電界も発生するので、磁気粘性流体のかわりに電気粘性流体を用いても同様の効果が得られる。なお、磁気粘性流体は、磁性流体とも呼ばれる。

また、本明細書が開示する電力変換装置は、リアクトルを備える複数の電圧変換回路が並列に接続されている。複数の電圧変換回路を並列に接続することで、電力変換装置の許容電流を増大させることができる。本明細書が開示する電力変換装置は、許容電流の増大と防振マウントの減衰調整の両方を同時に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ブロック図である。 電力変換装置の筐体の断面図である。 図２のIII−III線に沿った断面図である。

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は、電気自動車に搭載されている。図１に、実施例の電力変換装置１０を含む電気自動車１００の駆動系のブロック図を示す。電気自動車１００は、モータ５２で走行することができる。電力変換装置１０は、バッテリ５０の直流電力をモータ５２の駆動に適した交流に変換するデバイスである。電力変換装置１０は、車両の慣性力でモータ５２が逆駆動されたときに発生する交流電力（回生電力）を直流電力に変換してバッテリ５０を充電することもできる。

電力変換装置１０の直流端は、システムメインリレー５１を介してバッテリ５０に接続されている。電力変換装置１０の交流端は、モータ５２に接続されている。

電力変換装置１０は、２個の電圧変換回路１１ａ、１１ｂと、インバータ回路１２と、２個のコンデンサ８、９と、コントローラ１３を備えている。２個の電圧変換回路１１ａ、１１ｂは、並列に接続されている。電圧変換回路１１ａ、１１ｂは、共通の低電圧端１４ａ、１４ｂと、共通の高電圧端１５ａ、１５ｂを備えている。低電圧端１４ａ、１４ｂの間にコンデンサ８が接続されており、高電圧端１５ａ、１５ｂの間にコンデンサ９が接続されている。

電圧変換回路１１ａを説明する。電圧変換回路１１ａは、２個のスイッチング素子４ａ、５ａと、２個のダイオード６ａ、７ａと、リアクトル３を備えている。２個のスイッチング素子４ａ、５ａは、直列に接続されている。２個のスイッチング素子４ａ、５ａの直列接続は、高電圧端１５ａ、１５ｂの間に接続されている。スイッチング素子４ａにダイオード６ａが逆並列に接続されており、スイッチング素子５ａに対してダイオード７ａが逆並列に接続されている。２個のスイッチング素子４ａ、５ａの直列接続の中点にリアクトル３の一端が接続されている。リアクトル３の他端は、低電圧端の正極１４ａに接続されている。低電圧端の負極１４ｂと高電圧端の負極１５ｂは直接に接続されている。

電圧変換回路１１ａは、低電圧端１４ａ、１４ｂに印加された電圧を昇圧して高電圧端１５ａ、１５ｂから出力する昇圧動作と、高電圧端１５ａ、１５ｂに印加された電圧を降圧して低電圧端１４ａ、１４ｂから出力する降圧動作の両方を行うことができる。すなわち、電圧変換回路１１ａは、双方向ＤＣ−ＤＣコンバータである。低電圧端１４ａ、１４ｂに印加される電圧とは、バッテリ５０の出力電圧であり、高電圧端１５ａ、１５ｂに印加される電圧とは、回生電力の電圧である。

スイッチング素子５ａとダイオード６ａが主に昇圧動作に関与し、スイッチング素子４ａとダイオード７ａが主に降圧動作に関与する。スイッチング素子４ａ、５ａは、コントローラ１３によって駆動される。コントローラ１３は、低電圧端１４ａ、１４ｂと高電圧端１５ａ、１５ｂの電圧比を決定し、その電圧比が実現されるように、スイッチング素子４ａ、５ａのデューティ比を決定する。コントローラ１３は、スイッチング素子４ａ、５ａに対して、相補的なＰＷＭ信号を与える。相補的なＰＷＭ信号とは、スイッチング素子４ａに与えるＰＷＭ信号のＨＩＧＨレベルとＬＯＷレベルを逆転させた信号を意味する。スイッチング素子４ａ、５ａに相補的なＰＷＭ信号を与えることで、電圧変換回路１１ａは、低電圧端１４ａ、１４ｂに印加される電圧と高電圧端１５ａ、１５ｂに印加される電圧のバランスに応じて、昇圧動作を降圧動作が受動的に切り換わる。電気自動車１００は、運転者のアクセル操作とブレーキ操作に応じて、力行（モータ５２がトルクを出力する状態）と回生（モータ５２が回生電力を生成する状態）が頻繁に入れ替わる。相補的なＰＷＭ信号が与えられる電圧変換回路１１ａは、力行と回生に応じて昇圧と降圧が受動的に切り換わる。

電圧変換回路１１ｂも、電圧変換回路１１ａと同じ構成を有している。即ち、電圧変換回路１１ｂは、２個のスイッチング素子４ｂ、５ｂと、２個のダイオード６ｂ、７ｂと、リアクトル２０を備えている。２個のスイッチング素子４ｂ、５ｂは直列に接続されており、スイッチング素子の直列接続は高電圧端１５ａ、１５ｂの間に接続されている。スイッチング素子４ｂにダイオード６ｂが逆並列に接続されており、スイッチング素子５ｂにダイオード７ｂが逆並列に接続されている。２個のスイッチング素子４ｂ、５ｂの直列接続の中点にリアクトル２０の一端が接続されており、低電圧端の正極１４ａにリアクトル２０の他端が接続されている。

電圧変換回路１１ｂも、電圧変換回路１１ａと同様に双方向ＤＣ−ＤＣコンバータである。電圧変換回路１１ｂのスイッチング素子４ｂ、５ｂもコントローラ１３によって制御される。

電圧変換回路１１ａ、１１ｂの共通の高電圧端１５ａ、１５ｂには、インバータ回路１２が接続されている。インバータ回路１２は、電圧変換回路１１ａ、１１ｂが出力する直流電力を交流に変換してモータ５２に供給する。インバータ回路１２は、モータ５２が生成した交流の回生電力を直流電力に変換して電圧変換回路１１ａ、１１ｂに供給する場合もある。インバータ回路１２については良く知られているので詳しい回路の説明は省略する。コンデンサ８は、リアクトル３、２０とともに、電気エネルギを一時的に蓄える。コンデンサ８は、降圧動作、あるいは、昇圧動作において、スイッチング素子４ａ、４ｂ、５ａ、５ｂの切り換え時の電流変化を緩和する。コンデンサ９は、電圧変換回路１１ａ、１１ｂとインバータ回路１２の間に流れる電流の脈動を抑える。

電圧変換回路１１ｂのリアクトル２０は、後述する防振マウント３０に組み込まれている。図１では、防振マウント３０を破線矩形で模式的に表している。次に、図２、図３を参照して防振マウント３０について説明する。図２は、電力変換装置１０の筐体４０の断面図を示しており、図３は、図２のIII−III線に沿った断面を示している。図２では、筐体４０の一部の図示を省略している。また、図２では、筐体４０の内部に収容される様々な電気部品（図１に示した電気部品）の図示も省略している。ただし、リアクトル２０だけは、模式的に描いてある。

防振マウント３０は、電力変換装置１０の筐体４０を支える部品であり、筐体４０と電気自動車１００の車体３９の間に配置されている。筐体４０の下部には窪み４１が設けられており、防振マウント３０は窪み４１の内側に配置されている。即ち、実施例の電力変換装置１０は、筐体４０に防振マウント３０を備えられている、防振マウント付電力変換装置である。

防振マウント３０は、ベース板３５、シリンダ３１、ピストン３２、バネ３６を備えている。ベース板３５は、車体３９にボルト３７で固定されている。車体３９は、例えば、モータ５２を収容しているトランスアクスルのケースである。

ベース板３５の上にシリンダ３１が固定されている。シリンダ３１の内部には、ピストン３２が上下動可能に収容されている。シリンダ３１の内部空間３４ａ、３４ｂには磁気粘性流体ＭＲが封止されている。図２では、磁気粘性流体ＭＲをグレーのハッチングで表している。

ピストン３２には、ピストン３２を上下に貫通する複数の貫通孔３３が設けられている。ピストン３２が上下すると、磁気粘性流体ＭＲは、貫通孔３３を通じてピストン３２の上側の空間（上空間３４ａ）と、ピストン３２の下側の空間（下空間３４ｂ）の間を移動する。磁気粘性流体ＭＲの移動により、ピストン３２の振動が減衰する。

シリンダ３１の上部には孔が設けられており、筐体４０の下部（窪み４１の底の中央）から延びる支柱４２が孔を通過し、ピストン３２の上部に接続している。ピストン３２と筐体４０は繋がっており、ピストン３２の上下動に応じて筐体４０も上下する。筐体４０の周囲にはフランジ４４が設けられており、フランジ４４の下側フランジ面と、ベース板３５の間にバネ３６が挟まれている。バネ３６は、筐体４０を上方へ付勢する。ピストン３２がシリンダ３１の上下方向のほぼ中央に位置するときに、バネ３６の付勢力が筐体４０の自重とバランスするように、バネ３６の強さが調整されている。

車体３９が振動すると、筐体４０とともにピストン３２が上下動する。ピストン３２が上下動するのに合わせて磁気粘性流体ＭＲがピストン３２の貫通孔３３を通り、上空間３４ａと下空間３４ｂの間を移動する。磁気粘性流体ＭＲがピストン３２の振動エネルギを吸収し、筐体４０が制振される。

ピストン３２には、リアクトル２０が埋設されている。ピストン３２は樹脂で作られており、リアクトル２０を封止している。なお、図２には、筐体４０の内部から支柱４２を通過してリアクトル２０に達している導通線４３を仮想線で模式的に示している。

図３は、ピストン３２を水平面でカットした断面図である。図３に示すように、リアクトル２０は、リング状のコア２１と、コア２１に巻回されているコイル２２で構成されている。コア２１とコイル２２で構成されているリアクトル２０をピストン３２の樹脂が封止している。貫通孔３３は、コア２１を貫通している。

リアクトル２０のコイル２２に通電すると、磁界が発生する。磁界は主にコア２１を通る。先に述べたように、コア２１に設けられている貫通孔３３を磁気粘性流体ＭＲが通過する。コイル２２が発生する磁界は磁気粘性流体ＭＲも通過する。別言すれば、防振マウント３０は、リアクトル２０が発生する磁界が磁気粘性流体ＭＲを通過するように構成されている。

シリンダ３１に封止されている磁気粘性流体は、磁界を受けると粘性特性が変化する。シリンダ３１に封止されている磁気粘性流体の粘性特性は、防振マウント３０の減衰特性を定める。電力変換装置１０では、防振マウント３０が好ましい減衰特性を有するように、コントローラ１３がリアクトル２０に流れる電流を決定する。具体的には、コントローラ１３は、筐体４０の共振周波数における振動のピークを抑える減衰特性となるように、リアクトル２０に流れる電流を決定する。コントローラ１３は、並列に接続されている２個の電圧変換回路１１ａ、１１ｂの全体で流すべき電流量が２個の電圧変換回路１１ａ、１１ｂに適宜に分配されるように、各電圧変換回路１１ａ、１１ｂのスイッチング素子を駆動する。このとき、コントローラ１３は、防振マウント３０が望ましい減衰特性を有するように、リアクトル２０に流すべき電流量（即ち電圧変換回路１１ｂに流すべき電流量）を決定する。残りの電流量が電圧変換回路１１ａを流れるように、各スイッチング素子を駆動する。

筐体４０の振動特性（周波数特性）は、車速によって変化する。そこで、コントローラ１３は、防振マウント３０が車速に応じた好ましい減衰特性を有するように、リアクトル２０に流れる電流を調整する。

磁気粘性流体ＭＲは、表面が界面活性剤で覆われた強磁性微粒子を含有するベース液が主成分の磁性コロイド液である。強磁性粒子には、たとえば、マグネタイト、マンガン亜鉛フェライトなどが用いられる。ベース液には油（潤滑油）が用いられる。

電力変換装置１０は、リアクトル２０を使って防振マウント３０の減衰特性を調整することができる。防振マウント３０の磁気粘性流体に磁界を与える専用のコイルを備える必要がない。さらに、電力変換装置１０は、並列に接続されている２個の電圧変換回路１１ａ、１１ｂを有するので、許容電流が大きいという利点も有する。

実施例で説明した技術に関する留意点を述べる。磁気粘性流体の代わりに、印加される電界の強さに応じて粘性が変化する電気粘性流体を用いてもよい。防振マウント３０では、ピストン３２に埋設されたリアクトル２０のコア２１に、磁気粘性流体ＭＲが通過する貫通孔３３が設けられていた。貫通孔３３は、コア２１を貫通せず、コア２１の側方を通過するように設けられていてもよい。

実施例の電力変換装置１０は、２個の電圧変換回路を備えており、そのうちの一つの電圧変換回路のリアクトルが防振マウントの減衰調整手段を兼ねている。本明細書が開示する技術は、３個以上の電圧変換回路が並列に接続された電力変換装置に適用されていてもよい。本明細書が開示する技術は、２個以上の防振マウントを備えていてもよい。本明細書が開示する技術は、Ｎ個の電圧変換回路が並列に接続されているとともに、多くともＮ−１個の電圧変換回路のリアクトルが防振マウントの減衰調整手段を兼ねていればよい。ここで、Ｎ＞１である。

実施例の電力変換装置１０では、防振マウント３０のピストン３２にリアクトル２０が埋設されていた。リアクトル２０は、発生する磁界が防振マウント３０の磁気粘性流体を貫くように配置されていればよい。リアクトル２０は防振マウント３０の外側に配置されていればよい。実施例の電力変換装置１０が、防振マウント付電力変換装置の一例に相当する。

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。

３：リアクトル
４ａ、４ｂ、５ａ、５ｂ：スイッチング素子
６ａ、６ｂ、７ａ、７ｂ：ダイオード
８、９：コンデンサ
１０：電力変換装置
１１ａ、１１ｂ：電圧変換回路
１２：インバータ回路
１３：コントローラ
２０：リアクトル
２１：コア
２２：コイル
３０：防振マウント
３１：シリンダ
３２：ピストン
３３：貫通孔
３５：ベース板
３６：バネ
３７：ボルト
３９：車体
４０：筐体
４１：窪み
４２：支柱
４４：フランジ
５０：バッテリ
５２：モータ
１００：電気自動車

Claims (1)

1. 並列に接続されており、夫々がリアクトルを含んでいる複数の電圧変換回路と、
   磁気粘性流体または電気粘性流体を封止した防振マウントと、
   を備えており、
   複数の前記電圧変換回路のうちの一つに含まれているリアクトルの発生する磁界が前記磁気粘性流体または前記電気粘性流体を通過するように、前記防振マウントが配置されている、防振マウント付電力変換装置。

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