JPWO2014045700A1 - 電動車両に搭載する電力変換装置 - Google Patents

Abstract

電動車両に搭載される電力変換装置は、半導体素子を含むパワーモジュールを制御する制御基板と、制御基板上に設けられて外部制御装置と接続されるコネクタと、制御基板に重ねて配置される強電部品と、制御基板及び強電部品を収容するハウジングとを備える。ハウジングの底部は凸形状に形成され、強電部品は、その一部をハウジングの凸形状の領域に収容して、重ねて配置される制御基板への投影面積を制御基板の表面積より小さく形成される。コネクタは、制御基板のうち、重ねて配置される強電部品の制御基板への投影面よりも広い領域に配置されている。

Description

本発明は、電気自動車やハイブリッド車両等の電動車両に搭載する電力変換装置に関する。

従来から、電気自動車やハイブリッド車両等の電動車両に搭載する電力変換装置として、大容量の平滑用電解コンデンサを備えるにもかかわらず、車両搭載性に優れた電力変換装置が提案されている（ＪＰ１１-１３６９６０Ａ参照）。この電力変換装置は、半導体素子から構成される三相インバータ回路としてのパワーモジュールと、パワーモジュールを制御する制御基板と、入力電流平滑用のコンデンサとを備える。互いに並列接続される複数の円筒型電解コンデンサは、制御基板の延在方向へ一列に配列した状態で扁平缶形状の金属コンデンサケ−スに収容される。金属コンデンサケ−スは、制御基板を覆って配置されている。制御基板の外部との接続コネクタは、コンデンサに覆われた制御基板上に配置している。

しかしながら、上記電力変換装置では、制御基板の外部との接続コネクタをコンデンサに覆われた制御基板上に配置しているため、コンデンサと制御基板との隙間が狭く、外部接続ハーネスとのコネクタ接続の作業性が悪いという問題があった。

本発明は、上記問題点に鑑みてなされたもので、制御基板と外部接続ハーネスとのコネクタ接続の作業性を確保するに好適な電動車両に搭載する電力変換装置を提供することを目的とする。

一実施形態における電力変換装置は、半導体素子から構成されるパワーモジュールを制御する制御基板と、制御基板上に設けられて外部制御装置と接続されるコネクタと、制御基板に重ねて配置される強電部品と、制御基板及び強電部品を収容するハウジングとを備える。ハウジングの底部は凸形状に膨出形成し、強電部品は、その一部をハウジングの凸形状に膨出した領域に収容して、重ねて配置される制御基板への投影面積を制御基板の表面積より小さく形成する。コネクタは、制御基板のうち、重ねて配置される強電部品の制御基板への投影面よりも広い領域に配置されている。

本発明の実施形態については、添付された図面とともに以下に詳細に説明される。

図１は、本発明の一実施形態である電動車両に搭載する電力変換装置のパワーユニットへの搭載状態を示す正面図である。 図２は、電動車両に搭載する電力変換装置のパワーユニットへの搭載状態を示す側面図である。 図３は、電動車両に搭載する電力変換装置の斜視図である。 図４は、電動車両に搭載する電力変換装置の別の方向からの斜視図である。 図５は、電動車両に搭載する電力変換装置の断面図である。 図６は、電動車両に搭載する電力変換装置の平面図である。

以下、本発明の電動車両に搭載する電力変換装置を実施形態に基づいて説明する。図１及び図２はそれぞれ、一実施形態における電動車両に搭載する電力変換装置のパワーユニットへの搭載状態を示す正面図及び側面図である。

図１において、電気自動車やハイブリッド車両等の電動車両におけるパワーユニット１は、電気自動車では主にモータルーム内、ハイブリッド車両では主にエンジンルーム内に配置されている。
パワーユニット１は、車両を駆動するモータジェネレータ２と、モータジェネレータ２へバッテリ電力を供給すると共に、モータジェネレータ２の回生電力をバッテリに充電する電力変換装置３とを備える。モータジェネレータ２には、図示しないが、車輪に動力を伝達するトランスアクスルが付設され、パワーユニット１とトランスアクスルとは一体に結合されて、車体に弾性マウントされる。モータジェネレータ２は、パワーユニット１の中で最も質量が重い部品である。このため、モータジェネレータ２は、車両の上下方向の下側に配置し、その上方に電力変換装置３を配置する。

電力変換装置３は、モータジェネレータ２の上方に固定配置されたアルミダイキャスト製のハウジング４内に収容されている。電力変換装置３は、バッテリから供給される直流電力を平滑化する平滑コンデンサ５と、平滑化された直流電力を多相交流電力に変換してモータジェネレータ２に供給するインバータを含むパワーモジュール６とを備える。即ち、インバータは、複数のスイッチング用パワー素子（例えば、insulated gate bipolar transistor（通称、ＩＧＢＴ））で構成されて、パワーモジュール６として一体化されている。また、電力変換装置３は、モータジェネレータ２で発生した回生電力を直流電力に変換してバッテリに充電するようにも電力変換する。

電力変換装置３には、インバータからなるパワーモジュール６を作動させるための制御基板７（ドライバ基板）と、制御基板７を車両運転状態に応じて制御するためのモータ制御基板８と、パワーモジュール６を冷却するための冷却器９と、を備えている。冷却器９はアルミダイキャストで製造され、内部に冷却媒体が流通する空間を備える。従って、電力変換装置３は、組立状態では、図示例のように、ハウジング４内の底部から順に、平滑コンデンサ５、制御基板７、パワーモジュール６が配置され、これらの側部にモータ制御基板８を配置し、ハウジング４の開口部に冷却器９を配置している。

しかし、電力変換装置３の組み立て段階では、上下を反転させた冷却器９の底面上に、パワーモジュール６、制御基板７、平滑コンデンサ５をこの順序で配置し、これらの側部にモータ制御基板８を配置して、一体化した電力変換装置３の内容物を構成する。そして、一体化した電力変換装置３の内容物にハウジング４を被せて、ハウジング４を冷却器９の底面上にボルト締結等により固定し、電力変換装置３の組み立てが完了する。そして、組立が完了した電力変換装置３を上下方向反転させた状態で、モータジェネレータ２のケース３１にボルト締結等により固定することで、パワーユニット１への組立が完了する。

モータジェネレータ２のケース３１は、円環状のロータとステータで構成されて円柱状の外形形状を備える。このため、円柱状をなすモータジェネレータ２のケース３１の軸方向両端にそれぞれ上方への支持凸部３２を設け、これら支持凸部３２に電力変換装置３を取付けることで、モータジェネレータ２の上部に電力変換装置３を取付けることができる。

モータジェネレータ２のケース３１の上部形状は、支持凸部３２により、両端部が凸部となり中央部が凹部３３となる（図２参照）。この凹部３３は、電力変換装置３の底面が平面であると、両者間に隙間が発生して、電力変換装置３とモータジェネレータ２で構成するパワーユニット１の上下方向寸法が大きくなる。このため、本実施形態においては、電力変換装置３のハウジング４の底部形状を下側へ凸形状１１として、モータジェネレータ２の上面の凹部３３内に一部が収容されるようにした。このため、電力変換装置３の内蔵部品の一部は、ハウジング４の下側へ凸形状１１となった領域に配置することができ、その容積分だけ、モータジェネレータ２の支持凸部３２から上方への電力変換装置３の寸法を小さくすることができる。

本実施形態においては、ハウジング４の下側へ凸形状１１となった領域に、平滑コンデンサ５の一部を内蔵させている。結果として、電力変換装置３とモータジェネレータ２で構成するパワーユニット１の上下方向寸法を小さくすることができる。

なお、モータジェネレータ２上面の凹部３３と電力変換装置３のハウジング４の凸形状１１の位置は、モータジェネレータ２の軸方向中央に配置したものについて図示している。しかし、モータジェネレータ２の凹部３３とハウジング４の凸形状１１の位置は、モータジェネレータ２の軸方向中央位置から左右方向いずれかの位置に片寄せて配置するものであってもよい。

図３〜図６は、電力変換装置３の詳細を示す図であって、図３は斜視図、図４は別の方向からの斜視図、図５は断面図、図６は平面図である。図３〜図６に示す電力変換装置３は、モータジェネレータ２への取付け状態から上下方向を反転させた、組立時の状態を図示している

即ち、最下段に冷却器９の底板１２を上にして配置し、底板１２の上部に密着させてパワーモジュール６（インバータ）を固定配置し、パワーモジュール６の上部に制御基板７を固定配置している。パワーモジュール６の一端には、上方に向かって延びる、平滑コンデンサ５へ接続する中間バスバー１３が設けられ、他端には、上方に向かって延びる、モータジェネレータ２に接続するための出力バスバー１４が設けられている。

出力バスバー１４は、冷却器９の底面から離れる方向（上下方向）に伸長され、その中途部が図示しない絶縁材を介在させて、冷却器９の底面に固定したブラケット１５により支持され、その先端は、モータジェネレータ２への接続端子を構成している。出力バスバー１４の中途部には、ブラケット１５に支持された電流センサ１６が配置されている。即ち、パワーモジュール６は、その上方に制御基板７を積層した状態で、一方に中間バスバー１３を備え、他方に出力バスバー１４を備える。同様に、制御基板７も、中間バスバー１３と出力バスバー１４とで挟まれた領域に配置されている。

制御基板７の上部には、制御基板７から間隔を空けて、平滑コンデンサ５が配置されている。平滑コンデンサ５は、パワーモジュール６及び制御基板７を跨いで、冷却器９の底板１２に固定したブラケット１７により支持されている。中間バスバー１３の上端は、平滑コンデンサ５の一端部に連結されている。平滑コンデンサ５の一端部には、バッテリと接続する入力バスバー１８を備える（図５参照）。入力バスバー１８は、図中の上下方向に配置されて、絶縁状態で冷却器９の底板１２を貫通させて、その先端がバッテリへの接続端子を構成している。

制御基板７は、その上方に配置される強電部品である平滑コンデンサ５に覆われた領域Ａと、強電部品である出力バスバー１４及び電流センサ１６に覆われた領域Ｂと、これら強電部品（平滑コンデンサ５、出力バスバー１４及び電流センサ１６）に覆われていない領域Ｃと、を備える。制御基板７の領域Ｃは、出力バスバー１４が配置された側にあり、この領域Ｃには、弱電ハーネス２３を介して、モータ制御基板８に接続する弱電コネクタ２０ａ，２０ｂが配置されている。

モータ制御基板８は、パワーモジュール６、出力バスバー１４及び平滑コンデンサ５の側部における冷却器９の底板１２に対して垂直方向に、図示しないブラケットを介して固定配置されている。モータ制御基板８は、制御基板７の平滑コンデンサ５に覆われていない領域Ｃの側方に、即ち平滑コンデンサ５と出力バスバー１４とで挟まれた空間を横方向から閉じるように、配置されている。即ち、モータ制御基板８は制御基板７に対して直交する状態で配置されている。

モータ制御基板８に設けた弱電コネクタ２１ａ、２１ｂ、２１ｃの夫々には、制御基板７に設けた弱電コネクタ２０ａ、２０ｂ及び電流センサ１６に設けた弱電コネクタ２２ａ，２２ｂにコネクタ接続した弱電ハーネス２３の他端に設けたコネクタが接続される。弱電ハーネス２３のうち、モータ制御基板８から遠い弱電コネクタ２０ａ，２２ａに接続された比較的長い弱電ハーネス２３は、平滑コンデンサ５の他端部に設けた樹脂クランプ２４によりその中途部が支持されて、外部からの振動により振れないようにしている。

これら各弱電ハーネス２３は、電力変換装置３の各構成部品であるパワーモジュール６、制御基板７、平滑コンデンサ５、モータ制御基板８や入出力バスバー１４、中間バスバー１３及び電流センサ１６等の部品の冷却器９への取付組立後に、配線作業がなされる。各構成部品の取付け組立後においては、制御基板７の平滑コンデンサ５によって覆われていない領域Ｃの上方空間が、平滑コンデンサ５、出力バスバー１４及び電流センサ１６、モータ制御基板８で囲まれて、上方に開口されている。

従って、モータ制御基板８に設けた弱電コネクタ２１ａ、２１ｂ、２１ｃと、制御基板７上のコネクタ２０ａ、２０ｂ及び電流センサ１６とを弱電ハーネス２３により接続する際に、連続してハーネス２３の組付け作業を行うことができ、配線作業性がよい。また、この空間に臨む平滑コンデンサ５の他端面に樹脂クランプ２４を設けているため、樹脂クランプ２４で弱電ハーネス２３を支持しつつこの空間内で効率的に配線作業を行うことができる。また、従来のように、制御基板７の横方向外側に向かってハーネス２３を配索するものでないため、ハーネス配索のために、電力変換装置３が大型化することを抑制できる。

また、パワーモジュール６に接続された出力バスバー１４は、平滑コンデンサ５の制御基板７への投影面よりも広い領域Ｃの横方向外側において、制御基板７の配置面に対して直交する方向に配置されている。このため、バスバー１４と干渉することなく、平滑コンデンサ５の制御基板７への投影面よりも広い領域Ｃの上方に、各弱電ハーネス２３を接続するための空間を確保でき、ハーネス接続作業性を更に向上できる。しかも、パワーモジュール６からの出力バスバー１４が、制御基板７と平行に横方向に延びるよう配置される場合に比較して、制御基板７と直交する縦方向に配置されるため、電力変換装置３の横方向の寸法拡大を抑制することができ、電力変換装置３の小型化を図ることができる。また、モータ制御基板８も、出力バスバー１４と同様に、制御基板７と直交する縦方向に配置されるため、電力変換装置３の横方向の寸法拡大を抑制することができ、電力変換装置３の小型化を図ることができる。

従来の装置では、弱電コネクタ２０は、平滑コンデンサ５全体に覆われた制御基板７に配置されていた。平滑コンデンサ５と制御基板７との隙間は狭いため、外部接続ハーネスとのコネクタ接続の作業性が悪くなるという問題があった。この問題を解決するため、制御基板７上に、平滑コンデンサ５に覆われない領域を設けて、当該領域に弱電コネクタ２０を配置する必要がある。このために、例えば、制御基板７の長さ寸法若しくは幅寸法に比較して、平滑コンデンサ５自体の長さ寸法若しくは幅寸法を小さくして、平滑コンデンサ５に覆われない領域に弱電コネクタ２０を配置する方法がある。また、別の方法として、平滑コンデンサ５の長さ寸法若しくは幅寸法に比較して、制御基板７の長さ寸法若しくは幅寸法を大きくして、平滑コンデンサ５に覆われない領域に弱電コネクタ２０を配置する方法がある。前者の方法では、直流電力のリップルを充分に抑制できず、必要とされる平滑コンデンサ５の役割を果たせない。また、後者の方法では、平滑コンデンサ５の容量は確保されるため、直流電力のリップルを充分に抑制でき、必要とされる平滑コンデンサ５の役割を果たせるが、制御基板７の表面積が大きくなるため、それを収容するハウジング４を含めて、電力変換装置３が大型化する。

本実施形態においては、平滑コンデンサ５を、直流電力のリップルを抑制するための充分な容量を確保するように、充分に大きい容積を備えるものとする。平滑コンデンサ５を充分に大きい容量とするために、例えば、互いに並列接続される複数の電解コンデンサを用いてもよい。そして、平滑コンデンサ５として、充分な容積が確保できるように、厚さ方向寸法を増加させつつ、幅方向若しくは長手方向の寸法を短縮させて形成する。平滑コンデンサ５は、それ自体を金属ケース内に収容して形成してもよい。なお、平滑コンデンサ５の形状は、図示例では、直方体となっているが、直方体に限定されるものでなく、充分な容積を確保した円筒状のものであってもよい。

厚さ方向寸法を増加させて形成した平滑コンデンサ５は、組立時に電力変換装置３の最上部に位置して、その一部をハウジング４の凸形状１１とした領域に内蔵させる。これにより、平滑コンデンサ５は、制御基板７の全面を覆うことがなく、制御基板７の一部分のみを覆うように構成できる。結果として、充分に大きな容量の平滑コンデンサ５を備えるにも係わらず、制御基板７上に、平滑コンデンサ５に覆われない領域Ｃを形成することができ、この領域Ｃに、弱電コネクタ２０、２０ｂを配置することができる。そして、弱電コネクタ２０ａ、２０ｂの周囲空間は、開放された状態となる。その結果、コネクタ接続の作業性を向上することができる。

本実施形態においては、以下に記載する効果を奏することができる。

（Ａ）電動車両に搭載される電力変換装置３は、半導体素子を含むパワーモジュール６を制御する制御基板７と、制御基板７上に設けられて外部制御装置と接続されるコネクタ２０ａ、２０ｂと、制御基板７に重ねて配置される強電部品としての平滑コンデンサ５と、制御基板７及び強電部品を収容するハウジング４とを備える。ハウジング４の底部を凸形状１１に形成し、強電部品としての平滑コンデンサ５の一部をハウジング４の凸形状１１の領域に収容して、重ねて配置される制御基板７への投影面積を制御基板７の表面積より小さく形成される。制御基板７は、重ねて配置される強電部品の制御基板７への投影面よりも広い領域Ｃに、コネクタ２０ａ、２０ｂを配置する。即ち、ハウジング４の凸形状１１に膨出した領域に、強電部品としての平滑コンデンサ５の一部を収容するようにしたため、制御基板７と重なっている平滑コンデンサ５の容積の一部をハウジング４の凸形状１１の領域に移動させることができる。このため、制御基板７は、強電部品としての平滑コンデンサ５の投影面よりも広い領域Ｃを取ることができ、その広い領域Ｃに、コネクタ２０ａ、２０ｂを配置することができる。従って、この制御基板７の広い領域Ｃは、強電部品としての平滑コンデンサ５に覆われることがなく開放されるため、コネクタ接続の作業性を向上させることができる。

（Ｂ）コネクタ２０ａ、２０ｂに接続されるハーネス２３、ハーネス２３を支持する支持部材としての樹脂クランプ２４、及びハーネス２３の他端のコネクタ２１ａ、２１ｂ、２１ｃの少なくとも一つを、強電部品の制御基板７への投影面よりも広い領域Ｃに配置して備える。このため、制御基板７や強電部品等の部品の取付組立後に、制御基板７上のコネクタ２０ａ、２０ｂに対してハーネス２３の組付け作業を行うことができ、配線作業性がよい。また、従来のように、制御基板７の横方向外側に向かってハーネス２３を配索するものではないため、ハーネス配索のために、電力変換装置３が大型化することを抑制できる。

（Ｃ）パワーモジュール６に接続された出力バスバー１４は、強電部品の制御基板７への投影面よりも広い領域Ｃの横方向外側に配置されている。このため、出力バスバー１４と干渉することなく、強電部品の制御基板７への投影面よりも広い領域Ｃの上方に、制御基板７上のコネクタ２０ａ、２０ｂとハーネス２３を接続するための空間を確保でき、ハーネス接続作業性を更に向上できる。

（Ｄ）パワーモジュール６に接続された出力バスバー１４は、制御基板７の配置面に対して直交する方向に配置されている。即ち、パワーモジュール６からの出力バスバー１４が制御基板７と平行に横方向に延びるよう配置される場合に比較して、制御基板７と直交する縦方向に配置されるため、電力変換装置３の横方向の寸法拡大を抑制することができ、電力変換装置３の小型化を図ることができる。

（Ｅ）電動車両は、車両駆動用のモータジェネレータ２を備え、モータジェネレータ２の上面に、両端側で突出し、中央側で窪む凹部３３を形成し、電力変換装置３のハウジング４の凸形状１１に膨出した部分をモータジェネレータ２の上面の凹部３３に収容させて、モータジェネレータ２の上部に電力変換装置３を固定した。即ち、モータジェネレータ２と電力変換装置３とは、互いの凹凸部を嵌り合わせて一体となり、電力変換装置３が凸形状１１に膨出したハウジング４を備えるも、膨出した領域はモータジェネレータ２の凹部３３に収容されるため、電力変換装置３の高さ寸法を低くすることができる。

本発明は、上述した一実施の形態に限定されることはなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で様々な変形や応用が可能である。

本願は、２０１２年９月１９日に日本国特許庁に出願された特願２０１２−２０５８９５に基づく優先権を主張し、この出願の全ての内容は参照により本明細書に組み込まれる。

Claims (5)

1. 半導体素子を含むパワーモジュールを制御する制御基板と、
   前記制御基板上に設けられて外部制御装置と接続されるコネクタと、
   前記制御基板に重ねて配置される強電部品と、
   前記制御基板及び強電部品を収容するハウジングと、備える電動車両に搭載される電力変換装置であり、
   前記ハウジングの底部を凸形状に膨出形成し、
   前記強電部品は、その一部を前記ハウジングの凸状に膨出した領域に収容して、重ねて配置される前記制御基板への投影面積を制御基板の表面積より小さく形成され、
   前記コネクタは、前記制御基板のうち、重ねて配置される前記強電部品の制御基板への投影面よりも広い領域に配置されている電動車両に搭載する電力変換装置。
2. 前記制御基板には、前記コネクタに接続されるハーネス、前記ハーネスを支持する支持部材、及び前記ハーネスの他端のコネクタの少なくとも一つが前記強電部品の制御基板への投影面よりも広い領域に配置されている請求項１に記載の電動車両に搭載する電力変換装置。
3. 前記パワーモジュールにはバスバーが接続されており、
   前記バスバーは、前記強電部品の制御基板への投影面よりも広い領域の横方向外側に配置されている請求項１または請求項２に記載の電動車両に搭載する電力変換装置。
4. 前記パワーモジュールにはバスバーが接続されており、
   前記バスバーは、制御基板の配置面に対して直交する方向に配置されている請求項１から請求項３のいずれか一つに記載の電動車両に搭載する電力変換装置。
5. 前記電動車両は、車両駆動用のモータジェネレータを備え、
   前記モータジェネレータの上面に両端側で突出し中央側で窪む凹部を形成し、
   前記電力変換装置のハウジングの凸状に膨出した部分を前記モータジェネレータの上面の凹部に収容させて、モータジェネレータの上部に電力変換装置を固定した請求項１から請求項４のいずれか一つに記載の電動車両に搭載する電力変換装置。

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