JP7107521B2 - インバータ制御装置 - Google Patents

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Description

本発明は、車載用の電力変換装置であるインバータ制御装置の構造に関する。
近年における環境対応車両として、電動モータを駆動源とする電気自動車、ハイブリッド自動車等が普及し始めている。これら電気自動車等には、バッテリからの直流電力を駆動モータへ供給する交流電力に変換し、モータ回転数、駆動トルク等を制御して車両の加減速を行うインバータ装置（電力変換装置）が搭載されている。
このようなインバータ装置には、高性能、高信頼性に加えて、車両搭載性を重視した小型化が求められている。特に車載用のインバータ装置の場合、搭載する車内空間の制約等の理由から、従来より小型化の要請が強い。
例えば特許文献１には、電力変換を行うパワー系主回路部、パワー系主回路部の動作を制御する制御回路部、外部へのノイズの流出を抑制する入力・出力フィルタ回路部、制御回路部等を備える電力変換装置が開示されている。
また、特許文献２の電力変換装置（インバータ装置）は、インバータ、コンデンサ、リアクトル等を基台上に設置し、電力変換装置を一つの構造体としてまとめることにより小型化している。
特許６１０４３４７号公報 特開２０１４－６８４２８号公報
上記特許文献１に記載の電力変換装置では、パワー系主回路部、制御回路部等が平面配置されており、電力変換装置の小型化を構成部品の小型化に依存している。また、特許文献２に記載の電力変換装置においても、直流電圧を平滑化するコンデンサ、リアクトル等を小型化し、それらを平面的に配置している。
したがって、特許文献１，２に記載のインバータ装置は、車両への搭載のために車両内に広い面積を確保する必要があるとともに、インバータ装置全体の小型化を達成し難いという問題がある。
本発明は、上述した課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、インバータ装置全体を小型化、低背化することである。
上記の目的を達成し、上述した課題を解決する一手段として以下の構成を備える。すなわち、本願の例示的な第１の発明は、外部からの高圧電源電流の入力部である高圧部と、該高圧部より電源供給されモータに駆動電力を供給するパワー部とからなるモータ駆動用のインバータ制御装置であって、前記モータに駆動電流を供給するパワーモジュールユニットと、前記パワーモジュールユニットに駆動信号を出力するパワーモジュール基板と、前記パワーモジュール基板に制御信号を出力する制御基板と、平滑用のコンデンサとを備え、前記パワー部の内部に前記パワーモジュールユニットを最下層にして順次、前記パワーモジュール基板、前記コンデンサ、および前記制御基板が積層して収容されており、前記パワー部の一方の側面に前記高圧部からの電源電流の入力端子を配置し該一方の側面と直交する他の側面に前記モータの駆動電流の出力端子を配置するとともに、前記他の側面と対向する側に出力部を有する前記パワーモジュールユニットの該出力部に接続されたバスバーと前記出力端子とを板状部材で形成し、前記バスバーと前記出力端子とを、前記板状部材の厚さ方向を前記積層方向としながら前記パワー部の底部を基準として同一の高さにある同一平面内で直結するように配置したことを特徴とする。
本発明によれば、インバータ制御装置全体としての小型化、低背化のみならず、パワー部における電流経路長を短くしたことによる輻射ノイズの発生を防止できる。
図１は本発明の実施形態に係るインバータ制御装置が搭載された車両の概略構成である。 図２は駆動モータとギアを組み合わせて一体化したインバータ制御装置の外観図である。 図３は、図２のインバータ制御装置をＡ－Ａ´矢視線に沿って縦方向に切断した断面図である。 図４はパワー部における電流の入力側から出力側に至る電流経路を示す図である。 図５はインバータ制御装置のコンデンサの外観詳細図である。 図６はインバータ制御装置の出力端子およびその近傍の詳細図である。
以下、本発明に係る実施の形態について添付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インバータ制御装置が搭載された車両の概略構成である。図１において電動モータ１５は、例えば三相交流モータであって、車両の駆動力源である。電動モータ１５の回転軸は減速機６とディファレンシャルギア７に連結されており、電動モータ１５の駆動力（トルク）は、これら減速機６、ディファレンシャルギア７、ドライブシャフト（駆動軸）８を介して一対の車輪５ａ，５ｂに伝達される。
インバータ制御装置１０のインバータ部２０は、電動モータ１５に駆動電力を供給するパワーモジュールユニット１３と、パワーモジュールユニット１３に駆動信号を出力するパワーモジュール制御部１２と、パワーモジュール制御部１２に制御信号を出力するインバータ制御部１１と、平滑用のコンデンサ１４とを備える。インバータ部２０は、車両全体の制御を司る制御装置３からの制御信号により制御される。
パワーモジュールユニット１３は、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）、ＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）等のパワースイッチング素子を、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相毎に２個（上アームのパワースイッチング素子と下アームのパワースイッチング素子）、計６個のパワースイッチング素子を接続してなるブリッジ回路（電力変換回路）を有している。
パワーモジュールユニット１３は、パワーモジュール制御部１２からの駆動信号（ＰＷＭ制御信号）により、パワースイッチング素子のオン／オフを切り替えることで、バッテリＢＴからの直流電力を交流電力（三相交流電力）に変換し、それにより電動モータ１５を駆動する。
バッテリ（ＢＴ）は、車両の動力源である電気エネルギーの供給元であり、例えば、複数の二次電池で構成される。インバータ部２０には、バッテリ（ＢＴ）との接続部にコンデンサ１４が配置されている。コンデンサ１４は、高電位ライン（正極電位Ｂ＋）と低電位ライン（負極電位Ｂ－（ＧＮＤ））間に接続されており、バッテリＢＴからの入力電圧を平滑化する大容量の平滑コンデンサ（フィルムコンデンサ）である。
次に、本実施形態に係るインバータ制御装置の構造について説明する。図２は、インバータ制御装置１０の外観図であり、インバータ制御装置１０と駆動モータ１５とギア７を組み合わせて一体化された状態を示している。インバータ制御装置１０の筐体３１は、例えばアルミダイキャストを成形してなる。インバータ制御装置１０は、外部バッテリ（図１のバッテリ（ＢＴ））からの高圧電流の入力部である高圧部１０ａと、駆動モータに駆動電流を供給するパワー部１０ｂとで構成される。
高圧部１０ａとパワー部１０ｂは、筐体３１の内部において隔壁１８を介して分離されている。高圧部１０ａとパワー部１０ｂそれぞれの上面部は、例えばアルミニウム等の金属からなる平板状の部材であるカバー３９ａ，３９ｂで覆われる。
図３は、図２に示すインバータ制御装置１０を、Ａ－Ａ´矢視線に沿って縦方向に切断した断面図であり、インバータ制御装置１０のパワー部１０ｂ内部におけるパワーモジュールユニット１３等の積層状態を示している。より具体的には、パワー部１０ｂの筐体底面にネジ等で固定されたパワーモジュールユニット１３を最下層にして、順次、パワーモジュール制御部（パワーモジュール基板ともいう）１２、コンデンサ１４、インバータ制御部（制御基板ともいう）１１が積層された状態でパワー部１０ｂの内部に収容されている。
インバータ制御装置１０において、パワーモジュールユニット１３、パワーモジュール制御部１２、コンデンサ１４、およびインバータ制御部１１の積層後の法線方向の高さ（ｚ方向の高さ）Ｈ１は、筐体３１のｚ方向の深さＨ２よりも小さい（Ｈ１＜Ｈ２）。
すなわち、インバータ制御装置１０の筐体３１の容積内にすべての構成部材を収容できる構成としたことで、筐体３１を覆うカバー部材として、箱型部材ではなく、カバー３９ａ，３９ｂのように、アルミニウム等の金属からなる平板状の部材を使用できる。その結果、インバータ制御装置１０の低背化、小型化が可能となる。
また、インバータ制御装置１０では、図４に示すように、外部バッテリの接続用コネクタである外部電源入力端子３４より入力された高圧電流は、隔壁１８を貫通してパワー部１０ｂに至るバスバー４７を介して、高圧部１０ａのコネクタ（入力端子３５）で受電される。パワーモジュールユニット１３からのモータ駆動用電力は、パワー部１０ｂに設けたコネクタ（出力端子３７）より駆動モータへ供給される。
したがって、インバータ制御装置１０では、高圧部１０ａの正面部（正面壁部）１９ａに配置した外部電源入力端子３４より、パワー部１０ｂの隔壁１８側に配置した入力端子３５に電源が供給され、パワーモジュールユニット１３等を介して、パワー部１０ｂの正面部１９ｂに設けた出力端子３７よりモータへ駆動電流が送られる。
高圧部１０ａとパワー部１０ｂ間の隔壁１８は、正面部１９ｂと直交するので、パワー部１０ｂを平面視したとき、パワー部１０ｂにおいて電流の入力側から出力側に至る電流経路は、図４において点線矢印で示すＬ字状となる。このようなＬ字状の電流経路は、電源の入力側と出力側を同一側面に配置して電流経路をＵ字状とする場合に比べて電流経路が短くなり、インバータ制御装置をより小型化できる。
なお、インバータ制御装置１０において、図６に示すように高圧部１０ａのバスバー４７とパワー部１０ｂの出力端子３７は、筐体３１の高さ方向（ｚ方向）において高度差Ｈ３を設けて配置されている。すなわち、高圧部１０ａを出力端子３７よりも高い位置に設けることで、高圧部１０ａの筐体の下側に空間が形成されるので、その空間に例えばギア等を収容することができる。
また、図４に示すように筐体３１の正面側（パワー部１０ｂの正面部１９ｂ）であって、出力端子３７が配置された部位の下部には、筐体３１の一部を突出させてなる突起部１７が設けられている。突起部１７は、インバータ制御装置１０と駆動モータとの接続部に位置しており、インバータ制御装置１０へのモータ固定時において、突起部１７がインバータ制御装置１０の筐体３１の補強用部材として機能する。
図５は、インバータ制御装置１０のコンデンサ１４の外観詳細図である。コンデンサ１４は、所望の静電容量を得るため複数の単体コンデンサ（ここでは、Ｃ１～Ｃ６の６個）を並列に接続して構成される。これら複数の単体コンデンサは、樹脂製の外装ケース２１に収容されている。
外装ケース２１の４つの側面部には、これらの単体コンデンサを互いに隣接させて配置した際の外形輪郭に合わせた窪み（凹部）２３ａ～２３ｆが形成されている。さらに、外装ケース２１の４隅（４つの角部）に丸み（アール）２４ａ～２４ｄが付けられている。これらの凹部およびアールによって、コンデンサの外装ケース２１の構成材料を減らして、コンデンサの軽量化を図ることができる。
また、図５に示すように、コンデンサ１４の外装ケース２１の底部の角部には、筐体３１の底面部に固定するための取付け部２５ａ～２５ｄが形成されている。外装ケース２１のｘ方向の一方側面部の両端に設けた取付け部２５ａ，２５ｂは、コンデンサ本体の長手方向（ｘ方向）に延出している。外装ケース２１のｙ方向の両側面部の対向する端部に設けた取付け部２５ｃ，２５ｄは、コンデンサ本体の短手方向（ｙ方向）に延出している。
ここでは、取付け部材２５ａ～２５ｄを、筐体３１の内周壁の形状に合わせて配置し、延出させている。こうすることにより、筐体３１の内壁側にハーネスの引き回し空間を確保でき、同時にインバータ制御装置１０の筐体３１の小容積化が可能となる。
図６は、インバータ制御装置１０の出力端子およびその近傍の詳細図である。出力端子３７は、Ｕ，Ｖ，Ｗの３相に対応した金属プレート、例えば銅製の３つの端子板３３ａ～３３ｃを備える。端子板３３ａ～３３ｃは、駆動モータとの接続を容易にするため、パワー部１０ｂの底面近傍であって正面部側に配置した端子台５１に並列に配置され、図４に示すようにパワー部１０ｂの正面部１９ｂから外部に突出している。
インバータ制御装置１０においてモータ駆動用電力を供給するパワーモジュールユニット１３の出力端子には、Ｕ，Ｖ，Ｗの３相に対応した、例えば銅製の３つのバスバー４１ａ～４１ｃが接続されている。バスバー４１ａ～４１ｃは、例えば平面視Ｔ字型の部材であり、バスバー４１ａ～４１ｃの一端と、出力端子３７の端子板３３ａ～３３ｃの一方端とが、端子台５１を介して、３相それぞれに対応して相互に接続されている。
端子台５１は絶縁性の樹脂からなり、正面部１９ａに沿ってｘ方向に延びる長尺状の形状を有するとともに、バスバー４１ａ～４１ｃの一端と端子板３３ａ～３３ｃの一方端とをネジ止め可能に構成されている。端子台５１のネジ止め部５１ａ～５１ｃは、高さ方向（ｚ方向）において端子板３３ａ～３３ｃとバスバー４１ａ～４１ｃが同一平面内に配置される高さを有する。その結果、端子板３３ａ～３３ｃとバスバー４１ａ～４１ｃは、例えばパワー部１０ｂの筐体底部を基準としてｚ方向に同一の高さとなる。
なお、端子台５１のネジ止め部の配置間隔を変えて、出力端子３７の端子板３３ａ～３３ｃの並列配置間隔を、インバータ制御装置１０に接続する駆動モータの電源入力端子のサイズに合わせて変更できるようにしてもよい。こうすることで、パワーモジュールユニット１３を構成する三相ブリッジ回路の出力端子を、その接続先である駆動モータの入力端子の形状に合わせて変更できる。
さらにインバータ制御装置１０は、図６に示すように、各相に流れる電流を検出するための電流センサ４５を備えている。電流センサ４５は、その長手方向両端部が端子台５１にネジで固定され、パワーモジュールユニット１３の出力端子の長手方向（ｙ方向）に直交する方向（ｘ方向）に延出しながら、各相のバスバー４１ａ～４１ｃを跨ぐように配置されている。
上記のように端子台５１は、電流センサ、バスバー等の固定用部材を兼ねている。その結果、出力端子における電流センサの配置、固定を最適化（省スペース化）できる。
以上説明したように本実施の形態に係るインバータ制御装置は、筐体内にその底面から上方向に順にパワーモジュールユニット、パワーモジュール制御部、コンデンサ、インバータ制御部を互いに近接させながら積層して、筐体内部に完全に収容される構成とした。
さらに、外部電源入力端子とモータに駆動電流を供給する出力端子をインバータ制御装置の正面部（正面側壁部）に配置するとともに、この正面部と直交する側面部に配置した入力端子より、パワー部を構成するパワーモジュールユニット等に電源を供給することで、パワー部における電流の入力側から出力側に至る電流経路がＬ字状になる構成とした。
このような構成とすることで、インバータ制御装置全体として小型化、低背化により装置重量の低減化が図れるとともに、設置面積を小さくすることができる。さらには、パワー部における電流経路およびインバータ制御装置内のワイヤハーネス等の配線距離が短くなり、電源経路長等が短いことによる低抵抗値化にともなう電力損失の低減、輻射ノイズの発生防止、さらには外来ノイズの影響を抑制できる。
また、パワー部においてパワーモジュールユニットのバスバーと、モータへの電流出力端子とを垂直方向に立ち上げず、水平方向にフラットになるように同一平面内で直結するように配置することで電流経路を最短化でき、外部への電磁ノイズの発生を抑制すると同時に外来ノイズの影響を回避できる。
３ 制御装置
５ａ，５ｂ 車輪
６ 減速機
７ ディファレンシャルギア
８ ドライブシャフト（駆動軸）
１０ インバータ制御装置
１０ａ 高圧部
１０ｂ パワー部
１１ インバータ制御部
１２ パワーモジュール制御部
１３ パワーモジュールユニット
１４ 平滑用コンデンサ
１５ 電動モータ
１７ 突起部
１８ 隔壁
１９ａ 高圧部の正面部
１９ｂ パワー部の正面部
２０ インバータ部
２１ 外装ケース
２３ａ～２３ｆ 凹部
２４ａ～２４ｄ 丸み（アール）
２５ａ～２５ｄ 取付け部
３１ 筐体
３４ 外部電源入力端子
３７ 出力端子
３９ａ，３９ｂ カバー
３３ａ～３３ｃ 端子板
４１ａ～４１ｃ，４７ バスバー
４５ 電流センサ
５１ 端子台
５１ａ～５１ｃ ネジ止め部
ＢＴ バッテリ
Ｃ１～Ｃ６ コンデンサ

Claims (10)

  1. 外部からの高圧電源電流の入力部である高圧部と、該高圧部より電源供給されモータに駆動電力を供給するパワー部とからなるモータ駆動用のインバータ制御装置であって、
    前記モータに駆動電流を供給するパワーモジュールユニットと、
    前記パワーモジュールユニットに駆動信号を出力するパワーモジュール基板と、
    前記パワーモジュール基板に制御信号を出力する制御基板と、
    平滑用のコンデンサと、
    を備え、
    前記パワー部の内部に前記パワーモジュールユニットを最下層にして順次、前記パワーモジュール基板、前記コンデンサ、および前記制御基板が積層して収容されており、前記パワー部の一方の側面に前記高圧部からの電源電流の入力端子を配置し該一方の側面と直交する他の側面に前記モータの駆動電流の出力端子を配置するとともに、前記他の側面と対向する側に出力部を有する前記パワーモジュールユニットの該出力部に接続されたバスバーと前記出力端子とを板状部材で形成し、前記バスバーと前記出力端子とを、前記板状部材の厚さ方向を前記積層方向としながら前記パワー部の底部を基準として同一の高さにある同一平面内で直結するように配置したことを特徴とするインバータ制御装置。
  2. 前記バスバーと前記出力端子とが前記同一の高さとなるように前記パワー部の前記他の側面の近傍に端子台を設けたことを特徴とする請求項１に記載のインバータ制御装置。
  3. 前記パワーモジュールユニット、前記パワーモジュール基板、前記コンデンサ、および前記制御基板の前記積層後の高さが前記パワー部の深さ寸法を超えないことを特徴とする請求項１に記載のインバータ制御装置。
  4. 前記コンデンサの前記パワー部への取付け部材のうち該コンデンサの一方側面側に設けた一対の取付け部材はコンデンサ本体の長手方向に延出し、該コンデンサの他方側面側に設けた一対の取付け部材はコンデンサ本体の短手方向に延出しており、これらの取付け部材は該パワー部の内周壁の形状に合わせて配置されていることを特徴とする請求項１に記載のインバータ制御装置。
  5. 前記コンデンサは複数の単体コンデンサで構成され、該コンデンサの外装ケースの側面に該単体コンデンサの配置形状の輪郭に合わせて複数の凹部を設けるととともに、該外装ケースの角部にアールを付けたことを特徴とする請求項１に記載のインバータ制御装置。
  6. 前記パワー部の高さ方向において前記入力端子への電源供給路が前記出力端子よりも上部に位置していることを特徴とする請求項１に記載のインバータ制御装置。
  7. 前記出力端子は、前記モータの相数に対応させて前記端子台上に並列かつ同一の高さに配置した金属プレートからなることを特徴とする請求項２に記載のインバータ制御装置。
  8. 前記金属プレートの並列配置間隔は前記モータの電源入力端子のサイズに合わせて変えることができることを特徴とする請求項７に記載のインバータ制御装置。
  9. 前記端子台に固定され、前記出力端子の長手方向に直交する方向に延出しながら該出力端子を跨ぐ電流センサをさらに配置したことを特徴とする請求項２に記載のインバータ制御装置。
  10. 前記パワー部の前記出力端子が配置された部位の近傍に該パワー部の一部を突出させてなる突起部が設けられ、該突起部を当該インバータ制御装置とモータとの接続部位とすることを特徴とする請求項１に記載のインバータ制御装置。
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