JP6992670B2 - 電力制御装置 - Google Patents

Description

本明細書が開示する技術は、電力制御装置に関する。特に、ケースに冷却器が組み込まれている電力制御装置に関する。

特許文献１－３に、走行用のモータの駆動電力を制御する電力制御装置が開示されている。電力制御装置は大電力を扱うため、ケース内部の部品の発熱量が大きい。特許文献１－３の電力制御装置は、いずれも、ケースに冷却器が組み込まれている。特許文献１の電力制御装置は、ケースの底部に冷媒流路（冷却器）が設けられている。冷媒流路と対向するように底部の上に電圧コンバータとリアクトルが固定されている。電圧コンバータの上方に、複数の半導体モジュールと複数の扁平冷却器の積層ユニットが配置されている。積層ユニットの側方に２個のコンデンサが配置されている。

特許文献２の電力制御装置は、ケースの上下方向の中程に、水平方向に拡がる仕切壁が設けられており、仕切壁の中に冷媒流路が設けられている。即ち、仕切壁が冷却器に相当する。仕切壁の下面に電力変換器とトランスが固定されている。仕切壁の上方に複数の半導体モジュールと複数の扁平冷却器の積層ユニットが配置されている。積層ユニットの側方にコンデンサが配置されている。

特許文献３の電力制御装置では、ケースの底部に冷媒流路（冷却器）が設けられている。冷媒流路に対向するように底部の下面に電圧コンバータが固定されている。冷媒流路に対向するように底部の上面にインバータが固定されている。底部の冷媒流路が設けられていない部分が下方に窪んでおり、その窪みにコンデンサが配置されている。

特開２０１６－１００９１３号公報 特開２０１５－０７３４０１号公報 特開２００５－３４１６９３号公報

上記したように、走行用のモータの駆動電力を制御する電力制御装置は、比較的に大型の複数の発熱部品を備えており、発熱部品を収容するケースに冷却器が組み込まれている。電力制御装置に組み込まれているコンデンサは、電力線の正極と負極の間に接続され、電力線における電流の脈動を抑える。電力制御装置が扱う電力が大きくなるにつれて、コンデンサも大型化する。一方、電気自動車（ハイブリッド車や燃料電池車を含む）に搭載される電力制御装置は、車両の搭載スペースに制約から、ケース全体のサイズは小さい方が望ましい。本明細書は、複数の発熱部品を含んでいる電力制御装置に関し、ケース全体のサイズの大型化を抑えつつ、ケースに収容されるコンデンサの大型化に対応する技術を提供する。

本明細書が開示する電力制御装置は、底部に冷媒流路が設けられているケースと、ケースに収容されているリアクトル、電圧コンバータ、コンデンサを備えている。リアクトルと電圧コンバータは、冷媒流路に対向するように底部の上に固定されている。コンデンサは、リアクトルと電圧コンバータの並び方向と交差する方向でリアクトルの隣に配置されている。本明細書が開示する電力制御装置は、さらに、ケースを上面視したときにコンデンサは冷媒流路と重なっておらず、ケースは、コンデンサの下方部分が冷媒流路よりも下方へ突出しているとともにコンデンサの下方に空間が確保されている。

本明細書が開示する電力制御装置は、ケースの底部に、上下方向でコンデンサと重ならない範囲に冷媒流路を設けるとともに、コンデンサの下方の部分だけ、冷媒流路よりも下方に突出させてコンデンサの下に空間を確保する。コンデンサの下方に空間を設けることで、必要に応じてより大きなコンデンサを収容することが可能になる。ケースの底部を、冷媒流路が設けられた部分は従来の位置に保持したまま、コンデンサの下方部分だけ下方に突出させることで、ケース全体の大型化を抑えつつ、コンデンサの大型化に対応できる。

なお、本明細書が開示する電力制御装置は、複数のコンデンサを備えていてもよい。その場合、少なくとも一つのコンデンサがリアクトルの隣に配置されており、そのコンデンサの周辺が上記の特徴を備えていればよい。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。

実施例の電力制御装置のブロック図である。 電力制御装置の前面図である（ケース前部の側板をカット）。 電力制御装置の側面図である（ケース側方の側板をカット）。 電力制御装置の上面図である（ケースの上方の部品を非表示）。 変形例の電力制御装置の上面図である（ケースの上方の部品を非表示）。

図面を参照して実施例の電力制御装置１０を説明する。実施例の電力制御装置１０は、電気自動車１００に搭載されている。図１に、電力制御装置１０を含む電気自動車１００の電力系のブロック図を示す。電気自動車１００は、走行用のモータ９２ａ、９２ｂを有している。電力制御装置１０は、メインバッテリ９１の直流電力を昇圧した後に交流電力に変換する。電力制御装置１０は、２個の電圧コンバータ回路１１ａ、１１ｂと、２個のインバータ回路１２ａ、１２ｂと、電圧コンバータ８を備えている。

電圧コンバータ回路１１ａ、１１ｂは、並列に接続されている。電圧コンバータ回路１１ａは、非絶縁型であり、２個のスイッチング素子５ａ、５ｂ、リアクトル４ａ、フィルタコンデンサ３、２個のダイオードを備えている。２個のスイッチング素子５ａ、５ｂは、高電圧端１９ａ、１９ｂの間に直列に接続されている。スイッチング素子５ａ、５ｂの夫々に、ダイオードが逆並列に接続されている。リアクトル４ａの一端は２個のスイッチング素子５ａ、５ｂの直列接続の中点に接続されており、他端は低電圧端の正極１８ａに接続されている。低電圧端の正極１８ａと負極１８ｂの間にフィルタコンデンサ３が接続されている。低電圧端の負極１８ｂと高電圧端の負極１９ｂは直接に接続されている。

図１の電圧コンバータ回路１１ａは、低電圧端１８ａ、１８ｂに印加された電圧を昇圧して高電圧端１９ａ、１９ｂから出力する昇圧機能と、高電圧端１９ａ、１９ｂに印加された電圧を降圧して低電圧端１８ａ、１８ｂから出力する昇圧機能を備えている。電圧コンバータ回路１１ａは、いわゆる双方向ＤＣ－ＤＣコンバータである。スイッチング素子５ａが主に降圧動作に関与し、スイッチング素子５ｂが主に昇圧動作に関与する。

高電圧端１９ａ、１９ｂに印加される電圧とは、モータ９２ａ、９２ｂが発電した回生電力の電圧である。スイッチング素子５ａ、５ｂが、制御回路１７によって制御される。制御回路１７は、スイッチング素子５ａ、５ｂに、互いに相補的なＰＷＭ信号を供給する。相補的なＰＷＭ信号を供給することで、電圧コンバータ回路１１ａは、低電圧端１８ａ、１８ｂに印加される電圧と高電圧端１９ａ、１９ｂに印加される電圧のバランスにより、昇圧動作と降圧動作が受動的に切り換わる。図１の電圧コンバータ回路１１ａの回路構成と動作は良く知られているので詳しい説明は割愛する。

電圧コンバータ回路１１ｂは、電圧コンバータ回路１１ａと同じ回路構造を有している。電圧コンバータ回路１１ｂは、非絶縁型であり、２個のスイッチング素子５ｃ、５ｄ、リアクトル４ｂ、フィルタコンデンサ３、２個のダイオードを備えている。２個のスイッチング素子５ｃ、５ｄは、高電圧端１９ａ、１９ｂの間に直列に接続されている。スイッチング素子５ｃ、５ｄの夫々に、ダイオードが逆並列に接続されている。リアクトル４ｂの一端は２個のスイッチング素子５ｃ、５ｄの直列接続の中点に接続されており、他端は低電圧端の正極１８ａに接続されている。フィルタコンデンサ３は、電圧コンバータ回路１１ａと共用である。電圧コンバータ回路１１ｂも双方向ＤＣ－ＤＣコンバータであり、低電圧端１８ａ、１８ｂに印加された電圧を昇圧して高電圧端１９ａ、１９ｂから出力する昇圧機能と、高電圧端１９ａ、１９ｂに印加された電圧を降圧して低電圧端１８ａ、１８ｂから出力する降圧機能を備えている。

制御回路１７は、電圧コンバータ回路１１ａのスイッチング素子５ａと電圧コンバータ回路１１ｂのスイッチング素子５ｃを同じタイミングでオンオフする。制御回路１７は、スイッチング素子５ｂとスイッチング素子５ｄも同じタイミングでオンオフする。同じ回路構造を有しており、並列に接続された２個の電圧コンバータ回路１１ａ、１１ｂが同じタイミングで動作するので、２個の電圧コンバータ回路１１ａ、１１ｂは、あたかも１個の電圧コンバータ回路のように動作する。並列に接続された２個の電圧コンバータ回路１１ａ、１１ｂに負荷が分散されるので、電力制御装置１０は大電力を扱うことができる。

スイッチング素子５ａ、５ｂは、一つのパッケージ（パワーモジュール６ａ）に収容されており、スイッチング素子５ｃ、５ｄも、別の一つのパッケージ（パワーモジュール６ｂに収容されている。

インバータ回路１２ａ、１２ｂについて説明する。インバータ回路１２ａは、２個のスイッチング素子の直列接続が３組並列に接続された構造を有している。制御回路１７が６個のスイッチング素子を適宜にオンオフすると、夫々の直列接続の中点から交流が出力される。インバータ回路１２ａの構造と動作は良く知られているので詳しい説明は割愛する。直列に接続された２個のスイッチング素子は、１個のパッケージに収容されている。インバータ回路１２ａが有する６個のスイッチング素子は、２個ずつ、３個のパワーモジュール６ｃ－６ｅに収容されている。

インバータ回路１２ｂはインバータ回路１２ａと同じ構造を有している。インバータ回路１２ｂも、３個のパワーモジュールモジュール６ｆ－６ｈを備えており、パワーモジュール６ｆ－６ｈの夫々が、２個のスイッチング素子の直列接続を収容している。

電圧コンバータ回路１１ａ、１１ｂと、インバータ回路１２ａ、１２ｂの間に平滑コンデンサ７が接続されている。

電圧コンバータ８は、電圧コンバータ回路１１ａ、１１ｂの共通の低電圧端１８ａ、１８ｂに接続されている。電圧コンバータ８は、メインバッテリ９１の電圧を降圧してサブバッテリ９３に供給する降圧コンバータである。メインバッテリ９１の出力電圧は例えば２００ボルトであり、サブバッテリ９３の電圧は例えば１２ボルトである。電圧コンバータ８は、トランスを用いた絶縁タイプのコンバータである。電圧コンバータ８の回路構成の図示と説明は省略する。

サブバッテリ９３は、車両のボディに張り巡らされている電力線９４を介して、様々な補機９５に電力を供給する。補機とは、カーオーディオやルームランプなど、サブバッテリ９３の電力で駆動される電気部品の総称である。図１では、１個の補機９５だけしか描かれていないが、車両には多数の補機が搭載されている。

電力制御装置１０のハードウエア構成について説明する。図２に、電力制御装置１０のケース２０の前面図を示す。ケース内部の構造が理解できるように、図２は、前部の側板をカットした前面図である。図３に、手前側の側板をカットした電力制御装置１０の側面図を示す。説明の便宜上、図中の座標系の＋Ｘ方向を「前」と定義し、＋Ｚ方向を「上」と定義する。電力制御装置１０は、例えば、電気自動車１００のトランスアクスルの上に固定される。トランスアクスルのハウジングには、モータ９２ａ、９２ｂが収容される。モータ９２ａ、９２ｂの駆動電力を制御する電力制御装置１０は、モータ９２ａ、９２ｂを収容しているトランスアクスルのハウジングの上に固定されることで、モータ９２ａ、９２ｂへのパワーケーブルが短くなる。

先に述べたパワーモジュール６ａ－６ｈは、複数の扁平な冷却器３１とともに積層されている。冷却器３１は内側が冷媒流路になっている。パワーモジュール６ａ－６ｈと冷却器３１の積層体を積層ユニット３０と表現する。図３では、両端のパワーモジュールに符号６ａ、６ｈを付し、それらの間のパワーモジュールには符号を省略した。以下では、複数のパワーモジュール６ａ－６ｈのいずれか１個の区別なく示すときにはパワーモジュール６と表記する。積層ユニット３０は、ケース２０の内側面と、ケース内部の仕切板２５の間に挟まれている。積層ユニット３０と仕切板２５の間には、不図示の板バネが挟まれている。板バネによって、複数のパワーモジュール６と複数の冷却器３１は、それらの積層方向に加圧される。

扁平な複数の冷却器３１は、幅広面が対向するように１列に並んでいる。隣接する冷却器３１の間にパワーモジュール６が挟まれている。隣接する冷却器３１同士は、２個の連結管で接続されている。積層方向の一方の端の冷却器３１には、冷媒供給管３２ａと冷媒排出管３２ｂが接続されている。隣接する冷却器３１の間の一方の連結管は、図中のＸ方向からみて冷媒供給管３２ａと重なるように位置している。他方の連結管は、Ｘ方向からみて冷媒排出管３２ｂと重なるように位置している。冷媒供給管３２ａは、不図示の冷媒循環装置に接続される。冷媒排出管３２ｂは、ケース２０の外側に配置された不図示の連結パイプを介して冷媒給排管２３ａ（後述）に接続される。後述する冷媒給排管２３ｂは、不図示の冷媒循環装置に接続される。

冷媒供給管３２ａと一方の連結管を通じて冷媒が各冷却器３１に分配される。冷媒は冷却器３１を通過する間に隣接するパワーモジュール６から熱を吸収する。熱を吸収した冷媒は、他方の連結管と冷媒排出管３２ｂを通じて冷媒流路２２（後述）に送られる。冷媒は、冷媒流路２２を流れる間に別の発熱体（リアクトル４ａ、４ｂと電圧コンバータ８）を冷却する。冷媒流路２２から排出される冷媒は、冷媒循環装置に戻される。冷媒は液体であり、水、あるいは不凍液である。

各パワーモジュール６の下面からは３個のパワー端子３３ａ、３３ｂ、３３ｃが延びている（図２参照）。先に述べたように、パワーモジュール６には２個のスイッチング素子の直列接続が収容されている。パワー端子３３ａは、直列接続の正極に導通しており、パワー端子３３ｂは直列接続の負極に導通している。パワー端子３３ｃは直列接続の中点に接続されている。図２に示すように、パワー端子３３ａは正極バスバ３４ａを介して平滑コンデンサ７と接続されている。パワー端子３３ｂは負極バスバ３４ｂを介して平滑コンデンサ７と接続されている。パワー端子３３ｃの接続先は図示を省略している。図１に示されているように、全てのパワーモジュール６ａ－６ｈは平滑コンデンサ７と接続される。全てのパワーモジュール６ａ－６ｈは、正極バスバ３４ａと負極バスバ３４ｂを介して平滑コンデンサ７と接続される。

パワーモジュール６の上面からは制御端子３３ｄ、３３ｅが上方へ延びており、制御端子３３ｅ、３３ｄは制御基板３５に接続されている。制御端子３３ｄ、３３ｅは、パワーモジュール６の中の２個のスイッチング素子のゲート電極に導通している端子や、パワーモジュール６に内蔵されている温度センサの端子などである。制御基板３５には、図１に示した制御回路１７が実装されている。

ケース２０の底部２１には冷媒流路２２が設けられている。冷媒流路２２には複数のフィンが設けられている。冷媒流路２２に対向するように、底部２１の上面にリアクトル４ａ、４ｂ、電圧コンバータ８が固定されている。ケース２０の前面には冷媒流路２２に通じる冷媒給排管２３ａ、２３ｂが設けられている。先に述べたように、冷媒給排管２３ａは、ケース２０の外側に位置する不図示の連結パイプを介して積層ユニット３０の冷媒排出管３２ｂとつながっている。冷媒給排管２３ｂは、不図示の冷媒循環装置に接続されている。積層ユニット３０の冷却器３１から冷媒給排管２３ａを通じて冷媒流路２２に流れ込む冷媒は、冷媒流路２２を流れる間にリアクトル４ａ、４ｂ、電圧コンバータ８から熱を吸収する。即ち、リアクトル４ａ、４ｂと電圧コンバータ８は、ケース２０に組み込まれた冷却器（冷媒流路２２）によって冷却される。リアクトル４ａ、４ｂと電圧コンバータ８の熱を吸収した冷媒は、冷媒給排管２３ｂから、不図示の冷媒循環装置に戻される。

図４は、電力制御装置１０の上面図である。図４では、ケースの中程から上側の部品（具体的には、積層ユニット３０と制御基板３５）は非表示としてある。また、図４では、冷媒流路２２を破線で描いてある。

平滑コンデンサ７は、２個のリアクトル４ａ、４ｂと電圧コンバータ８の並び方向（図中のＸ方向）と交差する方向（図中のＹ方向）でリアクトル４ａ、４ｂの隣に配置されている。また、平滑コンデンサ７と電圧コンバータ８の両方に隣接するようにフィルタコンデンサ３が配置されている。平滑コンデンサ７とフィルタコンデンサ３は、ケース２０の内側面から突出している不図示の突出部に固定されている。

ケース２０の底部２１の一部（突出部２４）が下方へ突出している。突出部２４は、平滑コンデンサ７の下方に位置している。別言すれば、平滑コンデンサ７は、突出部２４の上方に配置されている。そして、図２、図３に示されているように、突出部２４の内側が空洞になっており、平滑コンデンサ７の下方に空間Ｓｐが確保されている。図２、図３に示されているように、突出部２４は、底部２１に設けられている冷媒流路２２よりも下方へ突出している。一方、図４に示されているように、ケース２０を上面視したときに、平滑コンデンサ７は冷媒流路２２と重なっていない。

上記の構造の利点を述べる。平滑コンデンサ７の下方に空間Ｓｐが確保されている。この空間Ｓｐを利用して、平滑コンデンサ７として、より大型のコンデンサをケース２０に収容することができる。一方、大型のコンデンサを収容可能にするために、ケース２０の全体を縦に延ばすのではなく、平滑コンデンサ７の下方だけ、下側に突出させている。ケース２０の全体を大型化しないので、ケース全体の大型化を抑えつつ、コンデンサの大型化に対応することができる。先に述べたように、電力制御装置１０は電気自動車１００においてトランスアクスルのハウジングの上に固定される。ハウジングには多くの凹凸があり、ケース２０の突出部２４は、ハウジングの上部の窪みに嵌り込む大きさに制限されている。従って、突出部２４を有するケース２０は、突出部を有さないケースと同じ高さ（地上からの高さ）に配置することができる。

図５に、変形例の電力制御装置１０ａの上面図を示す。図５も、ケース２０ａの上側に配置されている部品（積層ユニットと制御基板）は非表示にしてある。電力制御装置１０ａのケース２０ａの底部には、冷媒流路２２ａが設けられている。冷媒流路２２ａは、上面視において平滑コンデンサ７とは重なっていないが、フィルタコンデンサ３の下方に回り込む湾曲部２２ｂを備えている。本明細書が開示する電力制御装置は、上面視において平滑コンデンサ７が冷媒流路と重なっていなければよく、フィルタコンデンサ３と冷媒流路２２ａは重なっていてもよい。図１から理解されるように、フィルタコンデンサ３は電圧コンバータ回路１１ａ、１１ｂの低電圧端１８ａ、１８ｂに接続され、平滑コンデンサ７は電圧コンバータ回路１１ａ、１１ｂの高電圧端１９ａ、１９ｂに接続される。即ち、平滑コンデンサ７の方がフィルタコンデンサ３よりも印加電圧が高くなり得る。従って平滑コンデンサ７はフィルタコンデンサ３よりも大容量であり、サイズもフィルタコンデンサ３よりも大きい。フィルタコンデンサ３よりも大型の平滑コンデンサ７の下方に空間Ｓｐを設けることで、ケース２０は、より大型の平滑コンデンサを収容することが可能となる。

実施例で説明した技術に関する留意点を述べる。平滑コンデンサ７は、ケース２０（２０ａ）の中にてリアクトル４ａ、４ｂと電圧コンバータ８の並び方向と交差する方向（図中のＹ方向）でリアクトル４ａ、４ｂの隣に配置されている。ケース２０（２０ａ）を上面視したときに平滑コンデンサ７は冷媒流路２２（２２ａ）と重なっていない。また、ケース２０（２０ａ）は、平滑コンデンサ７の下方部分が冷媒流路２２（２２ａ）よりも下方へ突出しているとともに平滑コンデンサ７の下方に空間Ｓｐが確保されている。

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：フィルタコンデンサ
４ａ、４ｂ：リアクトル
５ａ－５ｄ：スイッチング素子
６、６ａ－６ｈ：パワーモジュール
７：平滑コンデンサ
８：電圧コンバータ
１０、１０ａ：電力制御装置
１１ａ、１１ｂ：電圧コンバータ回路
１２ａ、１２ｂ：インバータ回路
１７：制御回路
１８ａ、１８ｂ：低電圧端
１９ａ、１９ｂ：高電圧端
２０、２０ａ：ケース
２１：底部
２２、２２ａ：冷媒流路
２２ｂ：湾曲部
２３ａ、２３ｂ：冷媒給排管
２４：突出部
３０：積層ユニット
３１：冷却器
３２ａ：冷媒供給管
３２ｂ：冷媒排出管
３３ａ、３２ｂ、３２ｃ：パワー端子
３５：制御基板
９１：メインバッテリ
９２ａ、９２ｂ：モータ
９３：サブバッテリ
９４：電力線
９５：補機
１００：電気自動車

Claims (1)

1. 底部に冷媒流路が設けられているケースと、
   前記冷媒流路に対向するように前記底部の上に固定されているリアクトル及び電圧コンバータと、
   前記ケース内にて前記リアクトルと前記電圧コンバータの並び方向と交差する方向で前記リアクトルの隣に配置されているコンデンサと、
   を備えており、
   前記ケースを上面視したときに前記コンデンサは前記冷媒流路と重なっておらず、
   前記ケースは、前記コンデンサの下方部分が前記冷媒流路よりも下方へ突出しているとともに前記コンデンサの下方に空間が確保されている、電力制御装置。

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