JPH08126125A - 電気自動車用電力変換装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 放熱手段の小型化が可能で、車両搭載性に優
れた電気自動車用電力変換装置の提供。 【構成】 インバータ回路を構成する複数のスイッチン
グ素子１１、インバータ制御を行う制御回路１２、平滑
コンデンサ１３等からなる電力変換回路５は、収容ケー
ス１４内に収容配置される。この収容ケース１４内に
は、複数のスイッチング素子１１の熱を受ける冷媒タン
ク３１が配置され、この冷媒タンク３１内には沸点の低
い冷媒が封入されており、冷媒タンク３１の上方には、
冷媒タンク３１で気化した冷媒を、車両前部の開口部４
から流入した車両走行風によって冷却、液化させる冷媒
放熱器３２が配置されている。このように、スイッチン
グ素子１１の発生した熱は、冷媒タンク３１および冷媒
放熱器３２からなる沸騰冷却装置６によって冷却され
る。この沸騰冷却装置６は、従来の放熱手段（空冷用冷
却フィン）に比較して小型化で、車両搭載性に優れる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、電気自動車の車両走行
用電動モータに電力を変換して供給する電気自動車用電
力変換装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】電気自動車用電力変換装置の一例とし
て、実開昭５８−１３５３１３号公報に開示された技術
が知られている。この技術には、車両走行用電動モータ
に供給する電力を制御する電力変換回路を収容するケー
スを車両前面に配置するとともに、このケースの前面に
冷却フィンを設け、この冷却フィンにより電気自動車の
フロントグリルを形成した技術が開示されている。この
ように、冷却フィンを車両の前面に配置することによ
り、冷却フィンに伝えられた電力変換回路の熱を、車両
の走行風によって放熱される。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】従来技術で示した放熱
手段は、電力変換回路の熱を、冷却フィンを介して車両
の走行風によって放熱させる空冷式であったため、放熱
効果が悪い。このため、放熱手段である冷却フィンが非
常に大型となる。ここで、電気自動車用の放熱手段は、
車両前面など車両走行風の通過部位に放熱手段を配置す
るなどの制約を受ける。このため、冷却フィンが大型化
すると、冷却フィンを車両走行風の通過部位に設置する
などの制約を満たすのが困難になる。また、冷却フィン
が非常に大型となると、車載重量が増える不具合も生じ
る。

【０００４】

【発明の目的】本発明は、上記の事情に鑑みてなされた
もので、その目的は、放熱手段の小型化が可能で、車両
搭載性に優れた電気自動車用電力変換装置の提供にあ
る。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明の電気自動車用電
力変換装置は、次の技術的手段を採用した。 〔請求項１の手段〕電気自動車用電力変換装置は、
（ａ）車載バッテリの電力を調節して車両走行用の電動
モータに出力するスイッチング素子、およびこのスイッ
チング素子の作動を制御する制御回路を備える電力変換
回路と、（ｂ）前記スイッチング素子の熱を吸収し、そ
の熱によって気化する冷媒が封入された冷媒タンク、お
よびこの冷媒タンクの上方位置で、且つ車両の走行によ
って生じる走行風と熱交換可能な位置に配置され、前記
冷媒タンク内で気化した冷媒を液化冷却して前記冷媒タ
ンク内に戻す冷媒放熱器を備える沸騰冷却装置とを備え
る。

【０００６】〔請求項２の手段〕請求項１の電気自動車
用電力変換装置において、前記冷媒タンクは、この冷媒
タンクの車両前方側に配置された保持部材の後面に保持
されたことを特徴とする。

【０００７】〔請求項３の手段〕請求項１または請求項
２の電気自動車用電力変換装置において、前記冷媒タン
クと前記冷媒放熱器とは、冷媒の流通が可能な連通管を
介して接続されたことを特徴とする。

【０００８】

【発明の作用および発明の効果】

〔請求項１の作用および効果〕制御回路がスイッチング
素子の作動を制御して、スイッチング素子が車載バッテ
リの電力を調節して車両走行用の電動モータに出力する
際、スイッチング素子は発熱する。スイッチング素子が
発生した熱は、冷媒タンク内の冷媒に吸収される。冷媒
は、吸収した熱によって気化し、上方に設置された冷媒
放熱器に導かれる。冷媒放熱器に導かれた気化冷媒は、
車両走行風と熱交換されて液化凝縮し、再び下方の冷媒
タンク内に戻される。

【０００９】電気自動車用電力変換装置は、スイッチン
グ素子の発生した熱を、沸騰冷却装置によって放熱する
とともに、沸騰冷却装置は車両走行風によって熱を放熱
する。このため、スイッチング素子の発生した熱の放熱
効率が、従来の空冷式の放熱フィンを用いた場合に比較
して大変高い。

【００１０】つまり、沸騰冷却装置は、従来の空冷式の
放熱フィンに比較して小型化できる。また、従来の空冷
式の放熱フィンであれば、放熱フィン全体を車両走行風
の通過部位に設置する必要があるが、沸騰冷却装置は、
冷媒放熱器を車両走行風の通過部位に設置すれば良い。
このように、沸騰冷却装置が小型化できるとともに、冷
媒放熱器を車両走行風の通過部位に設置すれば良いた
め、従来に比較して車両の搭載性に優れる。また、沸騰
冷却装置は、従来の空冷式の放熱フィンに比較して小型
化できるため、沸騰冷却装置を含む電気自動車用電力変
換装置を軽量化でき、結果的に電気自動車の重量を軽く
できる効果も奏する。

【００１１】〔請求項２の作用および効果〕車両走行風
は、通常、車両の前方側から後方側へと流れる。この車
両走行風には、小石、砂などの飛散物が含まれる可能性
がある。そこで、冷媒タンクを保持部材の後面に保持す
ることで、飛散物から冷媒タンクを保護することができ
る。また、スイッチング素子や制御回路等の電気部品
も、保持部材の後面に保持させることで、飛散物から電
気部品を保護することができる。

【００１２】〔請求項３の作用および効果〕冷媒タンク
と冷媒放熱器とを、連通管を介して接続することによ
り、冷媒タンクと冷媒放熱器との配置の自由度が大きく
なる。この結果、さらに車両の搭載性が向上する。

【００１３】

【実施例】次に、本発明の電気自動車用電力変換装置
を、図に示す実施例に基づき説明する。 〔第１実施例の構成〕図１ないし図３は第１実施例を示
すもので、図１は電気自動車用電力変換装置の側面透視
図、図２は電気自動車用電力変換装置の後面図、図３は
沸騰冷却装置の断面図である。本実施例の電気自動車用
電力変換装置１が搭載される車両は、車両前面に設けら
れたフロントグリル２の上側で、且つボンネット３の前
端下方に、車両走行風がルーム内に流入する開口部４を
備える。そして、電気自動車用電力変換装置１は、車載
バッテリ（図示しない）の電力を変換して車両走行用の
電動モータ（図示しない）に与える電力変換回路５と、
この電力変換回路５で発生した熱を冷却する沸騰冷却装
置６とから構成される。

【００１４】電力変換回路５は、車載バッテリに充電さ
れた直流電力を、所定の三相交流電力に調節、変換し、
三相交流電動機である電動モータに出力する電気回路
で、パワートランジスタ等の半導体素子よりなり、周知
のインバータ回路を構成する複数のスイッチング素子１
１、この複数のスイッチング素子１１のON-OFF作動を、
アクセル開度等の車両走行状態に応じて制御する制御回
路１２、およびスイッチング素子１１の作動によって生
じる急激な電流変化を吸収して平滑化する複数の平滑コ
ンデンサ１３から構成され、強度に優れた収容ケース１
４内に収容配置されている。

【００１５】この収容ケース１４は、底部が車両前方側
に配置される容器形状の本体ケース１５と、この本体ケ
ース１５の開口（車両後方側）を塞ぐ蓋体１６とから構
成される。本体ケース１５は、例えばアルミダイキャス
ト製の容器で、車両前方側の底部１７は、高い強度が発
揮されるように厚さが他の部位よりも厚く設けられてい
る。この厚く設けられた本体ケース１５の底部１７は、
請求項２にかかる保持部材で、沸騰冷却装置６の冷媒放
熱器（後述する）や、スイッチング素子１１、平滑コン
デンサ１３などの重量物を支持するとともに、電気自動
車用電力変換装置１を車両に固定するための取付金具
（図示しない）が取り付けられるものである。

【００１６】蓋体１６は、本体ケース１５の開口を防水
のために塞ぐもので、鉄板やアルミニウム板などの金属
板で構成しても良いし、樹脂板で構成しても良い。な
お、本実施例では、蓋体１６の内面（車両前方側）に、
制御回路１２が搭載されるものである。

【００１７】なお、図２中に示す符号１８は、車載バッ
テリの直流電流を受ける入力端子で、複数の平滑コンデ
ンサ１３で平滑化された三相交流電流は、３つの出力端
子１９を介して電動モータに出力される。また、図２中
の符号２０は、蓋体１６を本体ケース１５に固定する際
に、ネジ２１（図１参照）が螺合されるネジ穴である。

【００１８】沸騰冷却装置６は、冷媒が封入された冷媒
タンク３１、この冷媒タンク３１内で気化した冷媒を放
熱する冷媒放熱器３２、およびこの冷媒放熱器３２に強
制的に空気流を生じさせる冷却ファン３３から構成され
る。

【００１９】冷媒タンク３１は、熱伝導性に優れた金属
板（例えば１〜２ｍｍほどのアルミニウム板）をプレス
加工によって形成した偏平な容器で、本体ケース１５の
底部１７（車両前方側）の後面（車両後方側）に固定さ
れる。なお、冷媒タンク３１の上端は、冷媒放熱器３２
の下端に接続されるもので、開口が大きく設けられてい
る。

【００２０】冷媒タンク３１内に封入される冷媒は、沸
点の低い液体が望ましく、例えば冷媒としてエチレング
リコール水溶液や水を用いる場合は、沸点が下がるよ
う、減圧（例えば０．１気圧）して封入される。また、
沸点の低いフロン系の冷媒を減圧した状態で封入しても
良い。

【００２１】冷媒タンク３１の後面（車両後方側）に
は、複数のスイッチング素子１１が当接した状態で、ネ
ジなどの固定手段３４によって固定されており、スイッ
チング素子１１の熱が冷媒タンク３１を介して、内部の
冷媒に容易に伝わるように設けられている。

【００２２】冷媒放熱器３２は、冷媒タンク３１の上方
位置で、且つ車両走行風が流れる開口部４の内側に配置
される熱交換手段で、冷媒タンク３１内で気化した冷媒
を液化冷却して再び冷媒タンク３１内に戻すものであ
る。具体的には、本実施例の冷媒放熱器３２は、複数の
偏平なチューブ３５とコルゲートフィン３６とを交互に
積層した積層型熱交換器で、各チューブ３５の上端に接
続した上部タンク３７によって上方が閉塞されるととも
に、各チューブ３５の下端に接続した下部タンク３８を
介して冷媒タンク３１の上端が接続される構造のもので
ある。

【００２３】冷却ファン３３は、上述のように冷媒放熱
器３２に強制的に空気流を生じさせるもので、遠心ファ
ン３９、この遠心ファン３９を回転駆動するファンモー
タ４０、および冷媒放熱器３２を通過する空気を遠心フ
ァン３９に吸引させるファンケース４１から構成され
る。

【００２４】ファンモータ４０は、図示しないファン制
御回路によって通電制御されるもので、ファン制御回路
は、スイッチング素子１１の温度を検出する温度センサ
（図示しない）を備えるとともに、車両速度を入力し、
温度センサの検出するスイッチング素子１１の温度が所
定温度以上で、且つ車両走行速度が所定速度以下の時
に、ファンモータ４０を通電するように設けられてい
る。

【００２５】〔実施例の作動〕次に、上記実施例の作動
を説明する。電気自動車の運転中は、スロットル開度等
の車両走行状態に応じて、制御回路１２が複数のスイッ
チング素子１１をON-OFF制御し、車両走行状態に応じた
電力を電動モータに与える。

【００２６】複数のスイッチング素子１１は、ON-OFF制
御されることによって発熱する。複数のスイッチング素
子１１の発生した熱は、冷媒タンク３１を介して冷媒に
伝達される。冷媒に伝えられる温度が、冷媒の沸騰温度
（例えば６０℃）に達すると、冷媒タンク３１内の冷媒
が沸騰し、気化する。気化した冷媒は、冷媒タンク３１
内を上昇して、図３に示すように冷媒放熱器３２の各チ
ューブ３５内に導かれる。

【００２７】ここで、チューブ３５とチューブ３５との
間には、車両の開口部４から取り込まれた車両走行風、
あるいは冷却ファン３３の発生した冷却風が生じてい
る。このため、チューブ３５内に導かれた気化冷媒は、
車両走行風あるいは冷却風によって熱が奪われ、冷却さ
れる。気化冷媒が冷却されると、凝縮、液化する。そし
て液化した冷媒は、図３に示すように下方に滴下し、再
び冷媒タンク３１内に戻される。

【００２８】〔実施例の効果〕本実施例の電気自動車用
電力変換装置１は、スイッチング素子１１の発生した熱
を沸騰冷却装置６によって放熱することで、熱の放熱効
率が従来の空冷式の放熱フィンを用いた場合に比較して
大変高くなる。また、沸騰冷却装置６は、車両走行風あ
るいは冷却ファン３３の発生する冷却風によって熱を放
熱するため、熱の放熱効率がさらに大変高くなる。この
ため、沸騰冷却装置６は、従来の空冷式の放熱フィンに
比較して大変小型化できる。

【００２９】このように、沸騰冷却装置６が従来に比較
して小型化できるとともに、小型化した冷媒放熱器３２
を車両走行風の通過する開口部４の内側に設置すれば良
いため、沸騰冷却装置６を含む電気自動車用電力変換装
置１は、従来に比較して、車両の搭載性に優れる。ま
た、沸騰冷却装置６は、従来の空冷式の放熱フィンに比
較して大変小型化できるため、沸騰冷却装置６を含む電
気自動車用電力変換装置１を軽量化できる効果も奏す
る。

【００３０】一方、冷媒放熱器３２を除く電気自動車用
電力変換装置１の主要部品は、厚い構造の底部１７（保
持部材）の後方に配置されるとともに、収容ケース１４
内に配置されている。このため、開口部４から流入する
車両走行風に含まれる小石、砂などの飛散物から、冷媒
放熱器３２を除く電気自動車用電力変換装置１の主要部
品を保護することができる。つまり、飛散物などの物理
的衝撃から電気機能部品を守ることができる。

【００３１】また、底部１７を厚く設け、重い機能部品
（例えば冷媒放熱器３２、スイッチング素子１１、平滑
コンデンサ１３等）を底部１７に支持させることによ
り、重い機能部品を安定支持することができる。また、
厚い底部１７を車両に固定することにより、電気自動車
用電力変換装置１を安定して車両に固定することができ
る。

【００３２】さらに、本実施例では、冷却ファン３３の
作動状態を、車両速度や、スイッチング素子１１の温度
に応じて作動状態を変化させたため、冷却ファン３３の
駆動時間を減らすことができる。このため、冷却ファン
３３の寿命を延ばすことができる。

【００３３】〔第２実施例〕図４は第２実施例を示す電
気自動車用電力変換装置１の側面透視図である。本実施
例は、車両の前面に車室内空調を行うための室外熱交換
器５０（例えば、冷凍サイクルのコンデンサ）を設けた
もので、その室外熱交換器５０の後方に電気自動車用電
力変換装置１を配置する例である。室外熱交換器５０の
後方に、直接、収容ケース１４を配置すると、室外熱交
換器５０を通過する空気の流れが、収納する収容ケース
１４に妨げられ、室外熱交換器５０と空気との熱交換効
率が低下する。

【００３４】そこで、本実施例では、室外熱交換器５０
の空気の流れを阻害する収容ケース１４（スイッチング
素子１１、制御回路１２、平滑コンデンサ１３などの電
力変換回路５や、冷媒タンク３１等を収容する）を、冷
媒放熱器３２から離し、冷媒タンク３１と冷媒放熱器３
２とを冷媒の流通が可能な連通管５１で接続するもので
ある。具体的には、冷媒放熱器３２は、車両走行風を受
けるように、室外熱交換器５０の後面に対向配置され、
収容ケース１４は、室外熱交換器５０の空気の流れを阻
害しないように、室外熱交換器５０の後面から離され、
且つ傾けて車両に固定されるもので、収容ケース１４内
に収容される冷媒タンク３１と、その上方の冷媒放熱器
３２とで冷媒が循環するように、冷媒タンク３１と冷媒
放熱器３２とを連通管５１で接続したものである。

【００３５】なお、本実施例の作動は、冷媒タンク３１
内で気化した冷媒が、連通管５１を介して冷媒放熱器３
２に導かれることと、冷媒放熱器３２で液化した冷媒
が、連通管５１を介して冷媒タンク３１内に戻される以
外は、第１実施例の作動と同一である。

【００３６】この第２実施例では、室外熱交換器５０の
空気の流れを阻害しないように、冷媒タンク３１と冷媒
放熱器３２とを別々に配置し、連通管５１で接続した例
を示したが、車両の搭載制約上（例えば、バッテリの配
置状態や、車両デザインの制約など）、冷媒放熱器３２
の直下にスイッチング素子１１類を配置する空間が確保
できない場合も、冷媒タンク３１と冷媒放熱器３２とを
別々に配置し、連通管５１で接続して対処しても良い。

【００３７】〔変形例〕上記実施例では、少なくとも冷
媒放熱器３２を車両走行風を受ける車両前部に取り付け
た例を示したが、例えば車両走行風をダクト等を用いて
車両内部に導くなど、冷媒放熱器３２が車両走行風によ
って放熱されるように設けられるならば、冷媒放熱器３
２は車両前部でなくとも取付可能なものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】電気自動車用電力変換装置の側面透視図である
（第１実施例）。

【図２】電気自動車用電力変換装置の後面図である（第
１実施例）。

【図３】沸騰冷却装置の断面図である（第１実施例）。

【図４】電気自動車用電力変換装置の側面透視図である
（第２実施例）。

【符号の説明】

１ 電気自動車用電力変換装置 ５ 電力変換回路 ６ 沸騰冷却装置 １１ スイッチング素子 １２ 制御回路 １７ 収容ケースを構成する本体ケースの底部（保持部
材） ３１ 冷媒タンク ３２ 冷媒放熱器 ５１ 連通管

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】（ａ）車載バッテリの電力を調節して車両
   走行用の電動モータに出力するスイッチング素子、およ
   びこのスイッチング素子の作動を制御する制御回路を備
   える電力変換回路と、 （ｂ）前記スイッチング素子の熱を吸収し、その熱によ
   って気化する冷媒が封入された冷媒タンク、およびこの
   冷媒タンクの上方位置で、且つ車両の走行によって生じ
   る走行風と熱交換可能な位置に配置され、前記冷媒タン
   ク内で気化した冷媒を液化冷却して前記冷媒タンク内に
   戻す冷媒放熱器を備える沸騰冷却装置とを備える電気自
   動車用電力変換装置。
2. 【請求項２】請求項１の電気自動車用電力変換装置にお
   いて、 前記冷媒タンクは、この冷媒タンクの車両前方側に配置
   された保持部材の後面に保持されたことを特徴とする電
   気自動車用電力変換装置。
3. 【請求項３】請求項１または請求項２の電気自動車用電
   力変換装置において、 前記冷媒タンクと前記冷媒放熱器とは、冷媒の流通が可
   能な連通管を介して接続されたことを特徴とする電気自
   動車用電力変換装置。