JP7449051B2 - バスバーデバイスとパワーコンバータハウジングとを備えたシステム、その生産方法、車両用パワーコンバータ、および車両 - Google Patents

Description

本発明は、バスバーデバイスとパワーコンバータハウジングとを備えたシステムに関する。ここで、バスバーデバイスは、少なくとも２つのバスバーにより形成されたスタックとこれらのバスバーをバスバーデバイスの２つの絶縁領域で取り囲む電気的絶縁ボデーとを備えており、各バスバーは、電流の流れる方向に延在し対向する２つの基面と、これらの基面を連結し電流の流れる方向に延在する側面とを備えている。

さらに、本発明は、このようなシステムの生産方法、車両用パワーコンバータ、および車両に関する。

パワーコンバータ用のバスバーデバイスは、大電流を流すために使用され、スタックを形成するバスバーをインサート成形して得られる電気的絶縁ボデーをしばしば含んでいる。典型的には、バスバーデバイスはパワーコンバータハウジングに取り付けられている。動作中、バスバーは自身を流れる電流により加熱される。しかし、絶縁ボデーの熱伝達抵抗が大きいため、このようなバスバーデバイスからの熱の消散は不十分である。バスバーには大きな断面が要求されるにも拘わらず、エレクトロモビリティの分野における設置スペースと重量の削減に関連する要求のため、好ましくない状態となっている。

粉体塗装されたバスバーを使用して、パワーコンバータハウジングの熱伝達しやすい金属部に直接取り付けることが、すでに提案されている。しかし、このような粉体塗装されたバスバーは製造に費用がかかり、また、たとえばバスバーデバイスに追加の部品を配置するために、射出成形プロセスで絶縁ボデーに接続要素を設けることができるなどのような、その製造過程において接続要素を形成することができない。

そこで、本発明の目的は、バスバーデバイスからの熱の消散のための改善された選択肢を提供することである。

この目的を達成するために、本発明によれば、上述のようなタイプのシステムにおいて、バスバーデバイスは、絶縁領域の間に形成され、開口が絶縁ボデーに形成されて各バスバーの１つの側面と少なくとも１つの基面の一部とを露出させる温度制御領域を備え、バスバーは、温度制御領域において熱伝達手段によってパワーコンバータハウジングと熱的に接続されている。

本発明は、温度制御領域においてバスバーが絶縁ボデーで完全にはカバーされないようにバスバーデバイスの絶縁ボデーに開口を形成するという考えに基づいている。バスバーの露出した、またはカバーされていない部分を、有利には電気絶縁性の、熱伝達手段を介してパワーコンバータハウジングに接続することができる。比較的熱伝達抵抗の高い絶縁ボデーを介した熱伝達を避け、代わりに熱伝達抵抗が充分に低い熱伝達手段が採用される。

このように、本発明のシステムにおいてバスバーデバイスを使用して、有利には同様の電流容量を確保しつつ従来のバスバーデバイスよりも小さな断面とすることができ、したがって、軽量化や高い費用効果を達成することができる。同時に、本発明のシステムのバスバーデバイスによれば、従来のバスバーデバイスよりも設置スペースを削減することができる。有利には、本発明のシステムにおける冷却能力向上を達成するために、入手容易な熱伝達手段以外には追加部品は不要である。

典型的には、バスバーは銅製のコアを有し、そのコアは追加的に金属層でコーティングされていることもある。パワーコンバータハウジングは、好ましくは、少なくとも熱伝達手段に接続されている領域はアルミニウム製である。パワーコンバータハウジングは、ダイカストハウジングでもよい。パワーコンバータハウジングは、バスバーから熱を効率的に消散するように、好ましくは能動的冷却、具体的には液体冷却を備えている。また、スタックは３つ以上のバスバーを備えていてもよい。典型的には、バスバーは、その基面が互いに重なって配置されている。典型的には、基面は側面よりも大きな表面積を有している。温度制御領域では、典型的には、絶縁ボデーは、熱伝達手段に接していない側面と２つの基面の一部とを覆っている。温度制御領域において、一方の基面が部分的に露出していれば他方の基面は絶縁ボデーで完全に覆われていてもよい。

本発明のシステムにおいて、特に有利には、温度制御領域で絶縁ボデーが、隣接するバスバーの間に形成され、露出された側面を超えて基面に沿って延在する凸部を備えている。言い換えると、凸部はバスバーよりも熱伝達手段内により突出している。この凸部により、バスバー間の沿面距離が長くなり、システムの電気的安全性が向上する。

本発明のシステムにおいて、特に有利には、絶縁ボデーは、パワーコンバータハウジング上に配置されるとともに、温度制御領域においてパワーコンバータハウジングからパスバーを離すスペーサを絶縁領域に備えている。このようにスペーサがバスバーとパワーコンバータハウジングとの距離を大きくするため、バスバーとパワーコンバータハウジングとの間のより大きなスペースが熱伝達手段で満たされる。これにより、バスバーとパワーコンバータハウジングとの間の絶縁破壊電圧が有利に向上する。

代替または追加として、バスバーとパワーコンバータハウジングとの距離を大きくするために、パワーコンバータハウジングに熱伝達手段を受け入れる凹部を形成してもよい。

有利には、熱伝達手段はギャップフィラーである。ギャップフィラーは、熱伝達抵抗が低く、処理が容易である。バスバーは温度制御領域においてギャップフィラーに埋没され、ギャップフィラーによりパワーコンバータハウジングに対して熱的接続と電気的絶縁が形成される。これにより、システムを特に簡潔かつ自動的に生産することが可能となる。

一般に、システムが複数の温度制御領域を有する場合には、それぞれ絶縁領域で分離されていることが好ましい。バスバーデバイスは、さらなる絶縁領域により第１絶縁領域から分離されたさらなる温度制御領域を含み、バスバーは、さらなる絶縁領域において屈折して特に９０°曲がって延在していてもよい。このようなバスバーデバイスの屈折部は、パワーコンバータハウジングのハウジングコーナーの形状に合わせるように形成されてもよい。

さらに、本発明のシステムによれば、さらなる絶縁領域により第１絶縁領域から分離されたさらなる温度制御領域を備えてもよく、スタックは、第１温度制御領域において第１温度制御領域の絶縁ボデーにより取り囲まれ、かつ／または、熱伝達手段によってパワーコンバータハウジングには熱的に接続されていないさらなるバスバーを、さらなる温度制御領域に備えていてもよい。上述のようにスタックがいくつかの部分で異なる数のバスバーを有する領域は、特に個々のバスバーがたとえばパワー半導体と接触する領域である。絶縁ボデーの適切な設計により、これらの領域でも効率的な熱消散も達成できる。

さらに、本発明は、バスバーデバイスとパワーコンバータハウジングとを備えたシステムを生産するための方法であって、パワーコンバータハウジングを提供するステップと、パワーコンバータハウジングに熱伝達手段を供給するステップと、それぞれのバスバーが電流の流れる方向に延在し対向する２つの基面と基面を連結し電流の流れる方向に延在する側面とを備えている、少なくとも２つのバスバーにより形成されたスタックと、バスバーデバイスの２つの絶縁領域でバスバーを取り囲む電気的絶縁ボデーとを備え、絶縁領域の間に形成され、それぞれのバスバーの１つの側面と少なくとも１つの基面の一部とを露出させる開口が絶縁ボデーに形成されている温度制御領域を備えた、バスバーデバイスを提供するステップと、温度制御領域に露出されたバスバーを熱伝達手段に導入するステップとを含む、方法に関する。

熱伝達手段は好ましくは液体熱伝達手段である。ここで、「液体」とは、粘体を含み、特に懸濁液を含む。バスバーのダイスは、好ましくは熱伝達手段が供給される前または後にパワーコンバータハウジングに取り付けられている。絶縁ボデーに形成された取付手段、特に貫通孔を有したタブが、この目的のために使用されていてもよい。

特に好ましくは、熱伝達手段を供給するステップ、バスバーを熱伝達手段に導入するステップ、および／またはバスバーデバイスをパワーコンバータハウジングに取り付けるステップは、たとえばロボットにより、自動的に実行される。さらに、バスバーデバイスを提供するステップは、絶縁ボデーが絶縁領域と温度制御領域を有するように、バスバーを可塑樹脂材、特に熱可塑樹脂材でインサート成形してもよい。

さらに、本発明は、本発明のシステムまたは本発明の方法によって得ることのできるシステムと、パワーコンバータハウジングに収容されたパワーユニットとを備えた車両用パワーコンバータに関する。好ましくは、パワーコンバータはインバータとして設計されている。

さらに、本発明は、車両を駆動するように構成された電気装置と、電気装置に交流電流を供給するように構成された本発明のパワーコンバータとを備えた車両に関する。

本発明のシステムについてのすべての実施形態は、上記効果が得られるように、本発明のパワーコンバータ、本発明の車両、および本発明の方法に同様に適用できる。特に、本発明のシステムのすべての実施形態は、本発明の方法の範囲に適用可能である。

本発明のさらなる効果や詳細については、以下に図面に基づいて説明する例示的実施形態により明らかになるであろう。なお、図面は概要図である。

本発明のパワーコンバータの例示的実施形態を備えた本発明の車両の例示的実施形態の概要図である。 本発明のシステムの例示的実施形態のバスバーデバイスの側面図である。 図２に示されたバスバーデバイスの上面図である。 図２の示されたバスバーデバイスの図３のＩＶ－ＩＶ線に沿った断面図である。 図３のＶ－Ｖ線に沿ったシステムの断面部分図である。 本発明のシステムのさらなる例示的実施形態のバスバーデバイスの上面図である。 図６に示されたバスバーデバイスの斜視部分図である。

図１は、車両１の例示的実施形態の概要図であり、車両１は、車両１を駆動するように構成された電気装置２と、電気装置２に交流電流を供給するように構成されたパワーコンバータ３の例示的実施形態を備えている。

パワーコンバータ３は、インバータとして構成され、高電圧バッテリ４から供給された直流電流を三相または多相の交流電流に変換する。パワーコンバータ３は、パワーコンバータハウジング６と、複数のバスバー７ａ、７ｂ、７ｃを有するバスバーデバイス７とを含むシステム５を備えている。さらに、複数のパワー半導体エレメントを含むパワーユニット８ａがパワーコンバータハウジング６に収容されている。パワーコンバータハウジング６は、車両１の冷却ユニット８ｂが液冷のために接続されており、付加的に電気装置２も冷却するように構成されている。

システム５は、以下に説明する例示的実施形態の１つに相当する。

図２から図４は、システム５の第１の例示的実施形態（図５参照）によるバスバーデバイス７を示している。図２は側面図、図３は上面図、図４は図３のＩＶ－ＩＶ線に沿った断面図である。

バスバーデバイス７はバスバー７ａ～７ｃを有し、図２にはそのうちバスバー７ａのみ表れている。図３から明らかなように、バスバー７ａ～７ｃはそれらの基面１４ａ、１４ｂ（図４参照）がそれぞれ互いに対向し平行に配置されたスタックを形成している。

また、バスバーデバイス７は、バスバー７ａ～７ｃを熱可塑性樹脂材でインサート成形して得られる、電気的に絶縁された絶縁ボデー９を備えている。絶縁ボデー９は、第１絶縁領域１０ａ、第２絶縁領域１０ｂ、第３絶縁領域１０ｃ、第４絶縁領域１０ｄを形成しており、第４絶縁領域１０ｄは図３にのみ表れている。

隣接するそれぞれ２つの絶縁領域１０ａ～１０ｄの間において、絶縁ボデー９は温度制御領域１１ａ～１１ｃを有し、第３温度制御領域１１ｃは図３にのみ表れている。絶縁ボデー９は、それぞれの温度制御領域１１ａ～１１ｃに開口１２を有し、それにより各バスバー７ａ～７ｃの側面１３ａ（図４参照）と基面１４ａ、１４ｂの一部（図４参照）を露出させる。側面１３ａに対向する側面１３ｂと基面１４ａ、１４ｂの残りの部分は温度制御領域１１ａ～１１ｃで絶縁ボデー９に取り囲まれている。

バスバー７ａ～７ｃは、第３絶縁領域１０ｃにおいて９０°曲がって延在している。さらに、第３バスバー７ｃは、第１温度制御領域１１ａまで延び、その自由端においてパワーユニット８ａと接触するタブ状接続部１５を形成している。これは、第２絶縁領域１０ｂにおいて、第２バスバー７ｂと第１バスバー７ａについても同様である。特に図２から明らかなように、スタックは、第２絶縁領域１０ｂにおいて縦方向にオフセットしている。

図４の断面図から分かるように、絶縁ボデー９は、温度制御領域１１ａに１つの凸部１６、温度制御領域１１ｂ、１１ｃのそれぞれに２つの凸部１６を有し、これらの凸部１６は隣接するそれぞれ２つのバスバー７ａ～７ｃの間に配置されている。凸部１６は、基面１４ａ、１４ｂに沿って露出された側面１３ａを超えて延在し、いずれの場合もバスバー７ａ～７ｃのいずれかに対向して配置されている。

図３から明らかなように、凸部１６は中心からオフセットしており、その結果として凸部１６が対向するバスバー７ａ～７ｃが変化する。凸部１６をバスバー７ａ、７ｂの間に自在に位置付けるには非常に複雑な構成が必要であったが、このオフセットにより射出成形における凸部１６の形成が容易になる。

さらに、第１絶縁領域１０ａ、第２絶縁領域１０ｂ、および第４絶縁領域１０ｄのぞれぞれは、スペーサ１７を備えている。スペーサ１７は絶縁ボデー９の開口１２が形成されている側に形成されている。

さらに、絶縁ボデー９は、たとえばネジによってバスバーデバイス７をパワーコンバータハウジング６に取り付けるように、貫通孔を有した突出タブとして複数の取付手段１８を備えている。

図５は、図３のＶ－Ｖ線に沿ったシステム５の断面部分図であり、パワーコンバータハウジング６に収容され配置されたバスバーデバイス７の詳細を示している。各温度制御領域（ここでは温度制御領域１１ａ）において、システム５は、液状に処理されたギャップフィラーとして熱伝達手段１９を備えている。温度制御領域１１ａ～１１ｃにおいてバスバー７ａ～７ｃの露出部が熱伝達手段１９内に突出し、それによりパワーコンバータハウジング６に熱的に接続されている。

第１側面１３ａを超えて突出する凸部１６により、バスバー７ａ～７ｃの間の沿面距離が長くなる。スペーサ１７はバスバー７ａ～７ｃとパワーコンバータハウジング６との距離を長くし、それにより絶縁耐力を増加させる。この距離をさらに長くするために、付加的に凹部２０がパワーコンバータハウジング６内に形成されている。

図６は、システム５のさらなる例示的実施形態によるバスバーデバイス７の上面図である。図２から図５に示したバスバーデバイス７の要素と同一または同様の機能の要素に対しては同じ符号が付されている。

図６の例示的実施形態において、３つのバスバー７ａ～７ｃは、特に接続部１５を形成するために分岐することなく、合計２つの温度制御領域１１ａ、１１ｂとそれらの間に配置された絶縁領域１０ａとを通って直線的に延在している。さらに、この例示的実施形態では、パワーコンバータハウジングに凹部は形成されていない。熱伝達手段はパワーコンバータハウジングの平面上に配置され、そこにはスペーサ１７も配置されている。

図７は、バスバーデバイス７の温度制御領域１１ａ、１１ｂの斜視部分図であり、基面１４ａ、１４ｂの開口１２が絶縁ボデー９の切欠きによって形成されていることが特に明確に示されている。この切欠きはまず絶縁領域１０ｂまたは１０ａから電流の流れる方向に円弧状に延び、そして電流の流れる方向に平行に伸び、最後に各温度制御領域１１ａ、１１ｂの端部で対向する絶縁領域１０ａまたは１０ｃにおいて円弧状となっている。これは、図２および図３の温度制御領域１１ａについても同様であるが、そこに示された温度制御領域１１ｂは絶縁領域１０ｃ内に直角に曲がっている。さらに上記オフセットについても図７に明示されており、中心には配置されていない。

上記例示的実施形態の各システム５は、パワーユニット８ａに対する交流電流側の接触として３つのバスバー７ａ～７ｃを備えているが、典型的には２つのバスバーを備えた相当システムもパワーユニット８ａに対する直流電流側の接触として設計されてもよい。

Claims (10)

1. バスバーデバイス（７）とパワーコンバータハウジング（６）と、を備えたシステム（５）であって、
   前記バスバーデバイス（７）は、
   少なくとも２つのバスバー（７ａ、７ｂ）により形成されたスタックと前記バスバーデバイス（７）の２つの絶縁領域（１０ａ、１０ｂ）で前記バスバー（７ａ、７ｂ）を取り囲む電気的絶縁ボデー（９）と、
   前記バスバー（７ａ、７ｂ）の夫々は、電流の流れる方向に延在し対向する２つの基面（１４ａ、１４ｂ）と、前記基面（１４ａ、１４ｂ）を連結し電流の流れる方向に延在する側面（１３ａ、１３ｂ）と、を有し、
   前記絶縁ボデー（９）に開口（１２）が形成され、前記バスバー（７ａ、７ｂ）の一つの前記側面（１３ａ）と前記基面（１４ａ、１４ｂ）の一部を露出させる前記絶縁領域（１０ａ、１０ｂ）に形成された前記温度制御領域（１１ａ、１１ｂ）と、を備え、
   前記バスバー（７ａ、７ｂ）は、前記温度制御領域（１１ａ、１１ｂ）において、ギャップフィラーである熱伝達手段（１９）によって前記パワーコンバータハウジング（６）と熱的に接続されており、
   前記バスバー（７ａ、７ｂ）は、前記前記温度制御領域（１１ａ、１１ｂ）内の前記ギャップフィラーに埋没され、前記ギャップフィラーは、前記パワーコンバータハウジング（６）に対して電気的絶縁の形成と共に熱的接続が形成される、ことを特徴とするシステム（５）。
2. 前記絶縁ボデー（９）は、前記温度制御領域（１１ａ、１１ｂ）で隣接する２つの前記バスバー（７ａ、７ｂ）の間に形成され、前記露出された側面（１３ａ）を超えて前記基面（１４ａ、１４ｂ）に沿って延在する凸部（１６）を含む、
   請求項１に記載のシステム。
3. 前記絶縁ボデー（９）は、パワーコンバータハウジング（６）上に配置されるとともに、前記温度制御領域（１１ａ、１１ｂ）において前記パワーコンバータハウジング（６）から前記バスバー（７ａ、７ｂ）を離すスペーサ（１７）を前記絶縁領域（１０ａ、１０ｂ）に備えている、
   請求項１または２に記載のシステム。
4. 前記パワーコンバータハウジング（６）は、前記熱伝達手段（１９）を受け入れる凹部（２０）を有している、
   請求項１から３のいずれかの項に記載のシステム。
5. 前記バスバーデバイス（７）には、前記絶縁領域（１０ａ、１０ｂ）から分離されたさらなる温度制御領域（１１ｃ）が形成され、
   前記バスバー（７ａ、７ｂ）は、さらなる絶縁領域（１０ｃ）において鉛直方向に屈折して延在している、
   請求項１から４のいずれかの項に記載のシステム。
6. さらなる絶縁領域（１０ｃ、１０ｄ）により前記絶縁領域（１０ａ）から分離されたさらなる温度制御領域（１１ｃ）を備え、
   前記温度制御領域（１１ｂ、１１ｃ）において、前記温度制御領域（１１ａ）の前記絶縁ボデー（９）により取り囲まれていて、前記パワーコンバータハウジング（６）とは熱的に接続されていないさらなるバスバー（７ｃ）を備えている、
   請求項１から５のいずれかの項に記載のシステム。
7. バスバーデバイス（７）とパワーコンバータハウジング（６）とを備えたシステム（５）を生産するための方法であって、
   パワーコンバータハウジング（６）を提供するステップと、
   前記パワーコンバータハウジング（６）に熱伝達手段（１９）を供給するステップと、
   前記バスバー（７ａ、７ｂ）の夫々が電流の流れる方向に延在し対向する２つの基面（１４ａ、１４ｂ）と前記基面（１４ａ、１４ｂ）を連結し電流の流れる方向に延在する側面（１３ａ、１３ｂ）とを備えている、少なくとも２つのバスバー（７ａ、７ｂ）により形成されたスタックと、前記バスバーデバイス（７）の２つの絶縁領域（１０ａ、１０ｂ）で前記バスバー（７ａ、７ｂ）を取り囲む電気的絶縁ボデー（９）とを備え、前記絶縁領域（１０ａ、１０ｂ）の間に形成され、前記バスバー（７ａ、７ｂ）の夫々の１つの前記側面（１３ａ）と少なくとも１つの前記基面（１４ａ、１４ｂ）の一部とを露出させる開口（１２）が、前記絶縁ボデー（９）に形成されている温度制御領域（１１ａ、１１ｂ）を備えた、バスバーデバイス（７）を提供するステップと、
   前記温度制御領域（１１ａ、１１ｂ）に露出された前記バスバー（７ａ、７ｂ）を前記熱伝達手段（１９）に導入するステップと、を含み、
   前記バスバー（７ａ、７ｂ）は、前記温度制御領域（１１ａ、１１ｂ）において、ギャップフィラーの熱伝達手段（１９）によって前記パワーコンバータハウジング（６）と熱的に接続されており、
   前記バスバー（７ａ、７ｂ）は、前記前記温度制御領域（１１ａ、１１ｂ）内の前記ギャップフィラーに埋没され、前記ギャップフィラーは、前記パワーコンバータハウジング（６）に対して電気的絶縁の形成と共に熱的接続が形成される、前記システム（５）の生産方法。
8. 前記絶縁ボデー（９）は、前記温度制御領域（１１ａ、１１ｂ）で隣接する２つの前記バスバー（７ａ、７ｂ）の間に形成され、前記露出された側面（１３ａ）を超えて前記基面（１４ａ、１４ｂ）に沿って延在する凸部（１６）を含む、請求項７に記載の生産方法。
9. 請求項１から７のいずれかの項に記載のシステム（５）、または請求項８の生産方法によって得られるシステム（５）と、
   前記パワーコンバータハウジング（６）に収容されたパワーユニット（８ａ）と、
   を備えた、車両（１）用のパワーコンバータ（３）。
10. 前記車両（１）を駆動するように構成された電気装置（２）と、
    前記電気装置（２）に交流電流を供給するように構成された請求項９に記載のパワーコンバータ（３）と、を備えた、車両（１）。

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