説明

電気自動車用の電力変換装置および電気自動車

【課題】電力変換装置内の部品のレイアウトを工夫して冷却の効率を向上させた電力変換装置を提供する。
【解決手段】電力変換装置10は、リアクトル6と、スイッチング素子SWを収めたパワーモジュール22と、パワーモジュール22に接してスイッチング素子SWを冷却する第1冷却器25と、ブラケット5と、第2冷却器8を備える。ブラケット5は、パワーモジュール22と第1冷却器25が一体化したユニット20とリアクトル6が空隙を有して並ぶようにユニット20とリアクトル6をそれらの側方又は上方から支持する。第2冷却器8は、リアクトル6の下面に接してリアクトル6を冷却する。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、バッテリ電力を走行用モータに適した電力に変換する電力変換装置と、その電力変換装置を搭載した電気自動車に関する。本明細書における「電気自動車」には、ハイブリッド車と燃料電池車も含まれる。
【背景技術】
【0002】
電気自動車の車両駆動用モータは大きなトルクを出力するため、必要とする電流も大きい。そのため、メインバッテリの電力をモータ駆動に適した電力に変換する電力変換装置も大電流を扱うことになり、発熱量が大きい。他方、車両用のデバイスにはコンパクト性も求められる。電気自動車用の電力変換装置には、熱対策とコンパクト性の両立が求められる。なお、電力変換装置は、典型的には、直流を交流に変換するインバータ、あるいは、インバータと、直流電力の電圧を異なる電圧に変換する電圧コンバータの組み合わせである。
【0003】
電力変換装置の中でも特に発熱源となるのは、スイッチング素子(IGBTなどのいわゆるパワートランジスタや、それに並列接続されるフリーホイールダイオードなどのパワー素子)と、リアクトルである。リアクトルは、よく知られているように、電力変換装置にあって、スイッチング素子とともに電圧変換回路を構成する。特許文献1には、スイッチング素子とリアクトルとそれらを冷却する冷却器をコンパクトに収めた電力変換装置が提案されている。その電力変換装置の冷却器は、平型の複数の冷媒通路を有しており、スイッチング素子を収めた複数の平型のパワーモジュールと冷媒通路が交互に積層した構造を有している。リアクトルは、最外側の隣接する2枚の冷媒通路に挟まれている。即ち、その電力変換装置では、リアクトルと複数のパワーモジュールがそれぞれ平型の冷媒通路にサンドイッチされている。なお、スイッチング素子をパワーモジュールとして他の回路(スイッチング素子を制御する回路など)と別体にするのは、スイッチング素子を集中的に冷却するためである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0004】
【特許文献1】特開2010−225723号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
近年、電気自動車、特に、ハイブリッド車の高性能化が進み、電力変換装置にも一層のコンパクト化と高い冷却能力が求められている。冷却能力を向上させる一つの手法は、2個の冷却器を備えて、パワーモジュールとリアクトルを個別に冷却することである。しかしながら、単純にパワーモジュール用とリアクトル用に2個の冷却器を備えるだけでは装置が大型化する。本明細書は、冷却器を2個備えるが、電力変換装置内の部品のレイアウトを工夫して冷却を効率化し、全体をコンパクトにすることのできる電力変換装置を提供する。
【課題を解決するための手段】
【0006】
本明細書が開示する電力変換装置は、スイッチング素子を収めたパワーモジュールとそれを冷却する第1冷却器が一体化したユニットと、リアクトルを所定の幾何学的関係で支持するブラケットを備える。ここでの「パワーモジュール」とは、電圧コンバータやインバータの回路の中から集中的に冷却したい素子(IGBTや還流ダイオード)を他の制御回路から独立させた基板を意味する。以下、スイッチング素子を収めたパワーモジュールとそれを冷却する第1冷却器が一体化したユニットを、パワー素子ユニット、略してPEユニットと称する。ブラケットは、PEユニットとリアクトルが空隙を有して横方向に並ぶようにそれらを支持する。また、ブラケットは、PEユニットとリアクトルを、それらの側方又は上方から支持する。ブラケットは、電力変換措置のケースに固定される。本明細書における「ブラケット」とは、PEユニットとリアクトル(及び後述する回路基板)をケース内部で所定の位置に固定するための部材である。なお、「ブラケット」とは、部品(この場合はPEユニットとリアクトル)を固定する部材を示す語であり、従って、その形状に特段の制約はないことに留意されたい。電力変換装置はさらに、リアクトルの下面に接してリアクトルを冷却する第2冷却器を備える。
【0007】
上記の電力変換装置では、パワーモジュールを冷却する第1冷却器とは別に、リアクトルを冷却する第2冷却器を備える。第2冷却器はリアクトルの下面に接しており、リアクトルをその下側から冷却する。ブラケットは、パワーモジュールの放熱経路とリアクトルの放熱経路ができるだけ分離されるように、リアクトルとPEユニットとの間に空隙を確保する。さらに、ブラケットは、リアクトルの側方又は上方からリアクトルを支持する。これは、ブラケットは第1冷却器を含むPEユニットとリアクトルの双方に接するが、第2冷却器を通じたリアクトルの放熱経路にブラケットが与える影響を最小限に抑えるためである。
【0008】
以上のとおり本明細書が開示する新たな電力変換装置は、パワーモジュールを冷却する第1冷却器とは別に、リアクトルを冷却する第2冷却器をリアクトルの下面に接するように配置し、しかもその放熱経路が第1冷却器によるパワーモジュールの冷却経路とはできるだけ独立するように各部品を配置する。そのような配置により、それぞれの冷却器が独立に機能し、高い冷却効率を実現する。高い冷却効率は、装置全体のコンパクト化に繋がる。
【0009】
本明細書が開示する電力変換装置ではさらに、電力変換装置のケースの底部を第2冷却器に利用するのがよい。即ち、電力変換装置のケースの底部に冷媒通路を形成するのがよい。ケース底部を第2冷却器の筐体としても用いることで、装置全体を一層コンパクトにすることができる。このとき、ブラケットはケースの上部に固定されるのがよい。より詳しくは、ブラケットはケース上部に固定されて、ケース内部のPEユニットとリアクトルを支持するのがよい。ブラケットとケースの接点をケース上部とすることで、ケース底部の第2冷却器との熱的干渉を低く抑えることができる。
【0010】
電力変換装置は、スイッチング素子を制御する回路を実装した回路基板も有することがある。その回路基板は、ブラケットによって、リアクトルの上方に空隙を有して支持されるのがよい。さらにこのとき、ブラケットの一部がリアクトルの上部を覆っているとよい。リアクトルの上部を覆っているブラケットの部分を、「覆い部」と称する。ブラケットは、覆い部の上方に空隙を有して回路基板を支持するのがよい。この構成は次の利点を有する。回路基板がリアクトルに近いと、リアクトルが発生する熱によって回路基板が熱せられる。そこで、ブラケットが、リアクトルの上部を覆うとともに、覆い部の上方に空隙を有して回路基板を支持することによって、リアクトルの熱が回路基板へ達することを防止する。なお、回路基板は、ブラケットを介して第1冷却器によって冷却され得る。
【0011】
電力変換装置は、第2冷却器の下面に接する他の電子ユニットをさらに備えることも好適である。すなわち、第2冷却器は、その上面でリアクトルを冷却し、その下面で他の電子ユニットを冷却する。そのような配置は、第2冷却器を有効に使うことができる。他の電子ユニットは、例えば、スイッチング素子を備えた別の電圧コンバータであってよい。
【0012】
本明細書は、第2冷却器の上記の配置を利用したさらなる改良も提示する。即ち、リアクトルを流れる電流を平滑化するコンデンサを、リアクトル又はPEユニットの側方に位置するようにブラケットによって支持する。そして、リアクトルの半分より下側から出てコンデンサに電気的に接続しているバスバーを、その一部が第2冷却器に接するようにレイアウトする。リアクトルとコンデンサを繋ぐバスバーには、大電流に耐えられるように太い金属線(細長金属板)が用いられる。そのため、バスバーはリアクトルの伝熱経路となり得るが、途中で第2冷却器と接することで、電熱経路を遮断することができ、コンデンサをリアクトルの熱から守ることができる。
【0013】
PEユニットは、典型的には、平型の複数のパワーモジュールと第1冷却器の複数の平型冷媒通路が交互に積層されたものであってよい。また、「リアクトルの下面が第2冷却器と接している」とは、リアクトルが伝熱材を介して第2冷却器に接している態様を含むことに留意されたい。リアクトルとコンデンサを接続するバスバーも、伝熱材を介して第2冷却器と接触していればよい。伝熱材は、例えばシリコングリースなどのゲル状の物質であってよい。
【0014】
上記の電力変換装置は、傾斜した上面を有するドライブトレインと組み合わせて電気自動車に搭載されることにも利点がある。即ち、電力変換装置は、PEユニットが低い側に位置しリアクトルが高い側に位置するように傾斜上面に固定されるとよい。リアクトルが高い側に位置すると、電力変換装置のケース内部の温かい空気はリアクトルの上方に集まる。しかし、上記の電力変換装置では、リアクトルの熱はリアクトルの下側から効率よく放熱されるので、ケース内部に残留する熱が少なくなり、リアクトル上方に熱がこもり難くなる。しかも、第2冷却器が電力変換装置の底部に位置するので、リアクトルやPEユニットとドライブトレインとの熱的干渉を遮断できる。
【図面の簡単な説明】
【0015】
【図1】実施例の電力変換装置の側面図である。
【図2】実施例の電力変換装置の平面図である。
【図3】PEユニットの模式的斜視図である。
【図4】エンジンコンパートメント内のデバイスレイアウトを示す斜視図である。
【図5】電力変換装置を載せたドライブトレインの模式的側面図である。
【発明を実施するための形態】
【0016】
図面を参照して実施例の電力変換装置10を説明する。図1は側面図であるが、理解を助けるために、図1は、ケース4とそのカバー2を断面で描き(ハッチングを付してある)、ケース内部の部品は側面図として描いてある。図2は平面図であるが、電力変換装置10の上方に位置するカバー2と回路基板3を取り外したところを描いてある。
【0017】
電力変換装置10は、電気回路的には、バッテリの電圧を変換する電圧コンバータと、直流を交流に変換するインバータからなる。電圧コンバータとインバータの電気回路は、具体的には、リアクトル6と、平滑コンデンサ9と、複数のパワーモジュール22の内部のスイッチング素子SWと、パワーモジュール22内のスイッチング素子SWを制御する回路基板3で構成される。よく知られているように、リアクトルは、電力変換装置にあって、スイッチング素子とともに電圧変換回路を構成する。電圧コンバータもインバータも、パワートランジスタと還流ダイオードが並列接続したスイッチング回路を複数有する。スイッチング回路を構成するパワートランジスタや還流ダイオードがスイッチング素子SWに相当する。一つ又は2つのスイッチング回路が一つの独立した基板に搭載され、それを一つのパワーモジュール22と称する。なお、図1〜図3では、図面を理解し易くするための6個のパワーモジュールのみを描いてあるが、電力変換装置10はさらに多くのパワーモジュールを備えていてもよい。電力変換装置10を構成する他の部材としては、パワーモジュール22を冷却する第1冷却器25と、リアクトル6を冷却する第2冷却器8と、ブラケット5、及び、別のコンバータ14がある。ブラケット5は、回路基板3、リアクトル6、パワーモジュール22(第1冷却器25)をケース4に対して支持する部材である。
【0018】
第1冷却器25とパワーモジュール22は一体化しており、それをPEユニット20と称する。PEユニット20について説明する。図3に、PEユニット20の模式的斜視図を示す。第1冷却器25では、2本のパイプ29a、29bが、複数の平型の冷媒通路21を貫いており、複数の冷媒通路21を、それらが平行に並ぶように支持している。2本のパイプ29a、29bと、夫々の冷媒通路21は、内部で通じており、一方のパイプ29aから供給される冷媒(水)は、各冷媒通路21を通り、他方のパイプ29bから排出される。スイッチング素子SWを収めたパワーモジュール22は、隣接する2枚の冷媒通路の間に挟まれている。すなわち、PEユニット20は、平型の複数のパワーモジュール22と第1冷却器25の複数の平型冷媒通路21が交互に積層されて構成されたものである。PEユニット20では、平型のパワーモジュール22の両面を冷媒が通るので、スイッチング素子SWを効率よく冷却することができる。なお、各パワーモジュールSWからはリード線22aが伸びている。このリード線22aは、図1に示すように回路基板3に繋がっている。
【0019】
図1、図2に戻り電力変換装置10の内部構造の説明を続ける。リアクトル6、平滑コンデンサ9、PEユニット20、及び、回路基板3は、ブラケット5に支持され、ケース4に収容される。ブラケット5は、ケース4の上方に固定される。図2によく示されているように、平面視すると、ブラケット5は、PEユニット20とリアクトル6を囲んでいる。
【0020】
図1に示すように、PEユニット20は、ブラケット5から下方に伸びる2本のステー5bに挟まれて固定される。すなわちPEユニット20は、その上方からブラケット5に支持される。図1において右側のステーとPEユニット20の端部との間にはバネ13が嵌挿されており、このバネ13が、2本のステー5bの間でPEユニット20を付勢し、固定している。なお、バネ13は、冷媒通路21とパワーモジュール22を積層方向に押圧し、これによって冷媒通路21とパワーモジュール22はしっかりと密着することになり、パワーモジュール22の熱がよく冷媒通路21に伝達される。
【0021】
回路基板3には、パワーモジュール22内の素子を制御する回路が実装されている。回路基板3は、ブラケット5から上方に伸びるステー5aによって、PEユニット20とリアクトル6の上方に支持される。図1に示されているように、パワーモジュール22から伸びているリード線22aが回路基板3に繋がっている。
【0022】
ブラケット5は、PEユニット20に隣り合うように、リアクトル6を支持している。なお、リアクトル6は、平行に並んだ2個のコイル(巻き線は1本)とそれらを貫通するコアで構成されている。
【0023】
ブラケット5から下方へ向けてステー5cが伸びており、そのステー5cにリアクトルカバー5dが取り付けられている。リアクトルカバー5dは、リアクトル6の上部を覆う箱型のカバーである。リアクトルカバー5dは、ブラケット5の一部である。ブラケット5とステー5a、5b、5c、及び、リアクトルカバー5dは、一つの金属板からプレス加工で製造されたものである。リアクトル6は、リアクトルカバー5dの内側に固定されている。即ち、ブラケット5は、リアクトル6の上部を覆っているとともに、リアクトル6をその上方で支持している。ブラケット5は、PEユニット20とリアクトル6の間に空隙Sp1が確保されるように、また、回路基板3とリアクトルカバー5dの間にも空隙Sp2が確保されるように、PEユニット20、回路基板3、及び、リアクトル6を支持する。なお、リアクトルカバーに替えて、ブラケット5の対応部分を逆凹形状としてもよい。
【0024】
図2によく示されているように、PEユニット20とリアクトル6の側方に、4個のコンデンサ9a、9bが並んでいる。コンデンサ9a(平滑コンデンサ)は、3相インバータ電圧を平滑化するためのものである。コンデンサ9b(フィルタコンデンサ)は、リアクトル6を流れる電流の脈動を平滑化するためのものである。電圧の変換(昇圧、あるいは、降圧)は、リアクトル6に流れる電流をチョッピングすることによって達成される。チョッピングする毎にリアクトル6を流れる電流が脈動するが、コンデンサ9bがその脈動を抑える。コンデンサ9a、9bもブラケット5に支持されている。リアクトル6とコンデンサ9bはバスバー7で電気的に接続されている。バスバー7は、リアクトル6の下方から出ており、リアクトル6の側方を通り、コンデンサ9bに達している。
【0025】
電力変換装置10は2重底8aになっており、それらの間を冷媒が通るようになっている。すなわち、2重底8aの間の空間は冷却器(第2冷却器8)を構成する。ケース4の側面に、この第2冷却器8へ冷媒(水)を供給する冷媒供給管28aと、内部の冷媒を排出する冷媒排出管28bが取り付けられている。ケース4の底、すなわち、第2冷却器8の上面には伝熱材Wが盛られている。伝熱材Wはまた、リアクトル6の底部とバスバー7の一部に接している。即ち、リアクトル6の下面、及び、バスバー7の一部が、伝熱材Wを介して第2冷却器8と接している。図1の符号Pが示す位置が、バスバー7と伝熱材Wが接している箇所を示している。なお、図2では、伝熱材Wの図示を省略している。伝熱材Wは、ゲル状のシリコングリースである。
【0026】
第2冷却器8の下面(即ち、ケース4の下面)には、別の電圧コンバータ14がボルトで固定されている。すなわち、第2冷却器8は、上面にてリアクトル6を冷却し、下面にて別の電圧コンバータ14を冷却する。
【0027】
電力変換装置10の構造の利点を説明する。電力変換装置10では、パワーモジュール22はそれを挟み込んでいる第1冷却器25が冷却し、リアクトル6は第2冷却器8が冷却する。第2冷却器8は、リアクトル6の下面に接触しており、リアクトル6の下面から熱を奪う。リアクトル6はPEユニット20と隣接しているが、それらの間には空隙Sp1が確保され、熱が伝達し難いようになっている。すなわち、第1冷却器25によるパワーモジュール22の伝熱経路と、第2冷却器8によるリアクトル6の伝熱経路は分離されており、それぞれが独立に別々の部品を冷却する。また、リアクトル6はその上方で回路基板3とも隣接するが、リアクトル6の上部はリアクトルカバー5dで覆われており、さらにリアクトルカバー5dの上方に空隙Sp2を有して回路基板3が位置している。リアクトルカバー5dとその上の空隙Sp2が、回路基板3をリアクトル6の熱から保護する。
【0028】
第2冷却器8はまた、リアクトル6とコンデンサ9を電気的につなぐバスバー7の一部にも接しており、バスバー7を介したコンデンサ9への伝熱経路を遮断する。
【0029】
図4、図5を参照して電力変換装置10を搭載した自動車90を説明する。自動車90は、エンジンEGとモータを搭載したハイブリッド車である。自動車90は、モータを駆動するため、電力変換装置10(インバータ)を搭載する。電力変換装置10は、エンジンEG、ドライブトレイン50とともに、エンジンコンパートメントEC内に搭載される。エンジンEGとドライブトレイン50は、ラジエータRTの後方に配置される。エンジンEGとドライブトレイン50は、横方向に並んで配置される。ドライブトレイン50の側方には、バッテリBTが配置される。ドライブトレイン50は、2個のモータMG1とMG2、及び、動力源(エンジンとモータ)の出力を車軸に伝達するトランスミッションTMを内蔵している。トランスミッションTMには、エンジンEGの出力軸も係合している。図5に示すように、ドライブトレイン50では、2個のモータMG1、MG2の出力シャフト51、52、及び、トランスミッションTMのメインシャフト53(エンジン出力軸に相当する)の合計3本の主たるシャフトが平行となっている。図5に示すように、モータMG1はやや上方に位置する。2個のモータMG1、MG2とトランスミッションTMは、3本のシャフトが車両の横方向(図中のY軸方向)に伸びる向きに配置される。2個のモータMG1、MG2とトランスミッションTMのそのような配置により、ドライブトレイン50は、車両前側(図中、X軸の正方向)が低く、車両後側(図中、X軸の負方向)が高くなっている傾斜上面50aを有している。その傾斜上面50aに電力変換装置10が固定されている。電力変換装置10は、PEユニット20が低い側(車両前側)に位置しリアクトル6が高い側(車両後側)に位置するように傾斜上面50aに固定される。そのため、第1冷却器25へ冷媒を通すパイプ29、第2冷却器8へ冷媒を通すパイプ28が、電力変換装置10の車両前側の側面から飛び出している。それらのパイプには冷媒管55が連結されている。冷媒管55を通じて冷媒が第1冷却器25と第2冷却器8へ供給される。
【0030】
電力変換装置10は、リアクトル6が高い側に位置し、その上に回路基板3が位置する。電力変換装置10内で熱い空気は、上方へ移動する。ここで、リアクトル6はリアクトルカバー5dに覆われているので、リアクトル6が発する熱はリアクトルカバー5dの内側に留まり、その上方に位置する回路基板3の周りには達しない。従って、回路基板3が熱的に保護される。
【0031】
実施例の電力変換装置10に関する留意点を述べる。リアクトル6とPEユニット20はいずれもブラケット5によって上方から支持されている。リアクトル6とPEユニット20は、ブラケット5によってそれらの側方から支持されていてもよい。リアクトル6とPEユニット20は、ブラケット5を介してケース4に支持されており、ケース4から熱的に分離されている。
【0032】
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。
【符号の説明】
【0033】
2:カバー
3:回路基板
4:ケース
5:ブラケット
6:リアクトル
6a:リアクトルカバー(覆い部)
7:バスバー
8:第2冷却器
9a、9b:コンデンサ
10:電力変換装置
13:バネ
14:別の電圧コンバータ
20:パワー素子ユニット(PEユニット)
21:冷媒通路
22:パワーモジュール
25:第1冷却器
50:ドライブトレイン
50a:傾斜上面
90:自動車
EC:エンジンコンパートメント
EG:エンジン
MG1、MG2:モータ
TM:トランスミッション
W:伝熱材

【特許請求の範囲】
【請求項1】
電気自動車用の電力変換装置であって、
リアクトルと、
スイッチング素子を収めたパワーモジュールと、
パワーモジュールと一体化している第1冷却器と、
パワーモジュールと第1冷却器のユニットとリアクトルが空隙を有して並ぶように前記ユニットとリアクトルをそれらの側方又は上方から支持しているブラケットと、
リアクトルの下面に接してリアクトルを冷却する第2冷却器と、
を備えていることを特徴とする電力変換装置。
【請求項2】
パワーモジュールとリアクトルを収めるケースの底部が第2冷却器を構成しており、ブラケットがケースの上部に固定されることを特徴とする請求項1に記載の電力変換装置。
【請求項3】
ブラケットの一部が、リアクトルの上部を覆っており、
ブラケットはさらに、スイッチング素子を制御する回路を実装した回路基板を、ブラケットのリアクトル覆い部の上方に空隙を有して支持していることを特徴とする請求項1又は2に記載の電力変換装置。
【請求項4】
第2冷却器の下面に接する他の電子ユニットをさらに備えることを特徴とする請求項1から3のいずれか1項に記載の電力変換装置。
【請求項5】
リアクトルを流れる電流を平滑化するコンデンサが、リアクトル又は前記ユニットの側方に位置するようにブラケットによって支持されており、
リアクトルの半分より下側から出てコンデンサに電気的に接続しているバスバーの一部が第2冷却器に接していることを特徴とする請求項1から4のいずれか1項に記載の電力変換装置。
【請求項6】
前記ユニットは、平型の複数のパワーモジュールと第1冷却器の複数の平型冷媒通路が交互に積層されたものであることを特徴とする請求項1から5のいずれか1項に記載の電力変換装置。
【請求項7】
リアクトルは、伝熱材を介して第2冷却器に接していることを特徴とする請求項1から6のいずれか1項に記載の電力変換装置。
【請求項8】
請求項1から7のいずれか1項に記載の電力変換装置であって、バッテリの電力を走行用モータに適した電力に変換するための電力変換装置と、
傾斜した上面を有するドライブトレインと、
を備えており、
電力変換装置が、前記ユニットが低い側に位置しリアクトルが高い側に位置するように前記傾斜上面に固定されていることを特徴とする電気自動車。

【図1】
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【図2】
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【図3】
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【図4】
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【図5】
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【公開番号】特開2013−51848(P2013−51848A)
【公開日】平成25年3月14日(2013.3.14)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2011−189233(P2011−189233)
【出願日】平成23年8月31日(2011.8.31)
【出願人】(000003207)トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Fターム(参考)】