特許第5936745号(P5936745)IP Force 特許公報掲載プロジェクト 2022.1.31 β版

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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B1)
(11)【特許番号】5936745
(24)【登録日】2016年5月20日
(45)【発行日】2016年6月22日
(54)【発明の名称】車両用電力変換装置
(51)【国際特許分類】
   H02M 7/48 20070101AFI20160609BHJP
【FI】
   H02M7/48 Z
【請求項の数】6
【全頁数】11
(21)【出願番号】特願2015-101134(P2015-101134)
(22)【出願日】2015年5月18日
【審査請求日】2015年9月3日
(73)【特許権者】
【識別番号】000004765
【氏名又は名称】カルソニックカンセイ株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】100075513
【弁理士】
【氏名又は名称】後藤 政喜
(74)【代理人】
【識別番号】100120260
【弁理士】
【氏名又は名称】飯田 雅昭
(72)【発明者】
【氏名】岡崎 文洋
(72)【発明者】
【氏名】奥塚 元
(72)【発明者】
【氏名】野村 祐一郎
(72)【発明者】
【氏名】永野 雅春
【審査官】 神山 貴行
(56)【参考文献】
【文献】 国際公開第2013/080665(WO,A1)
【文献】 特開2014−96898(JP,A)
【文献】 特開2011−217548(JP,A)
(58)【調査した分野】(Int.Cl.,DB名)
H02M 1/00〜 3/44
H02M 7/42〜 7/98
B61L 1/00〜 3/12
B61L 7/00〜13/00
B61L 15/00〜15/42
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
蓄電装置と負荷との間で電力を変換する車両用電力変換装置であって、
前記蓄電装置の直流電力と前記負荷に供給される交流電力とを変換するパワーモジュールと、
外部コネクタを介して供給される交流電力を直流電力に変換して前記蓄電装置を充電させる充電装置と、
前記パワーモジュールと前記充電装置とに接続され、それぞれの作動時の電圧を平滑化するコンデンサモジュールと、
を備え
前記コンデンサモジュールは、前記パワーモジュールのU相、V相、W相の3相に対応する端子に直接固定される第1バスバーと、前記蓄電装置に接続される第2バスバーと、前記充電装置に接続される電力配線と、が導出され、
前記第1バスバーと、前記第2バスバーと、前記電力配線とは、前記コンデンサモジュールの内部バスバーから分岐する
ことを特徴とする車両用電力変換装置。
【請求項2】
請求項1に記載の車両用電力変換装置であって、
前記コンデンサモジュールは、前記パワーモジュールと前記充電装置との間に隣接して配置される
ことを特徴とする車両用電力変換装置。
【請求項3】
請求項1に記載の車両用電力変換装置であって、
前記蓄電装置から供給される直流電圧を変換するDC/DCコンバータを備え、
前記DC/DCコンバータは、前記コンデンサモジュールに接続され、
前記コンデンサモジュールが、前記パワーモジュール、前記充電装置と及び前記DC/DCコンバータにおけるぞれぞれの作動時の電圧を平滑化する
ことを特徴とする車両用電力変換装置。
【請求項4】
請求項3に記載の車両用電力変換装置であって、
前記パワーモジュールと、前記DC/DCコンバータと、前記充電装置と、前記コンデンサモジュールとを収装するケースを更に備え、
前記パワーモジュールと、前記DC/DCコンバータと、前記充電装置と、前記コンデンサモジュールとは、前記ケース内の同一の空間内に設けられる
ことを特徴とする車両用電力変換装置。
【請求項5】
請求項3又は4に記載の車両用電力変換装置であって、
前記電力配線は、前記コンデンサモジュールにおける前記第1バスバー及び第2バスバーが設けられる一方側に対向する他方側に備えられ、前記充電装置に接続される
ことを特徴とする車両用電力変換装置。
【請求項6】
請求項5に記載の車両用電力変換装置であって、
前記負荷とは異なる電動コンプレッサに接続されるコネクタと、前記コンデンサモジュールと前記コネクタとを接続する第3バスバーを備えることを特徴とする車両用電力変換装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、電動自動車やハイブリッド自動車等に搭載される車両用電力変換装置に関するものである。
【背景技術】
【0002】
電動自動車やハイブリッド自動車等に搭載される電力変換装置は、蓄電装置(バッテリ)の直流電力をインバータにより交流電力に変換してモータを駆動する。
【0003】
このような電力変換装置において、外部の商用電源等からバッテリを充電させるコネクタ及び充電器を備えたもの(特許文献1)が知られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0004】
【特許文献1】特開2010−259274号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
特許文献1に記載の従来の技術において、バッテリの電力をインバータに供給する場合と、充電器によりバッテリを充電する場合とで、リレーにより回路を切り換えている。そのため、インバータに用いられる平滑コンデンサに加えて、充電器に突入電力を抑制する平滑化コンデンサを備える必要があり、電力変換装置が大型化し、重量が増加するという問題があった。
【0006】
本発明は、このような問題点に着目してなされたものであり、装置を小型化できる車両用電力変換装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0007】
本発明のある実施態様によると、蓄電装置と負荷との間で電力を変換する車両用電力変換装置であって、蓄電装置の直流電力と負荷に供給される交流電力とを変換するパワーモジュールと、外部コネクタを介して供給される交流電力を直流電力に変換して蓄電装置に出力する充電装置と、パワーモジュールと充電装置とに接続され、それぞれの作動時の電圧を平滑化するコンデンサモジュールと、を備え、コンデンサモジュールは、パワーモジュールのU相、V相、W相の3相に対応する端子に直接固定される第1バスバーと、蓄電装置に接続される第2バスバーと、充電装置に接続される電力配線と、が導出され、第1バスバーと、第2バスバーと、電力配線とは、コンデンサモジュールの内部バスバーから分岐することを特徴とする。
【発明の効果】
【0008】
本発明によると、コンデンサモジュールは、パワーモジュールと充電装置とに接続され、それぞれの作動時の電圧を平滑化するように構成されているので、コンデンサモジュールをパワーモジュールと充電装置とで共用することで、電力変換装置を小型化することができ、重量を軽減できる。
【図面の簡単な説明】
【0009】
図1】本発明の実施形態の電力変換装置の機能ブロック図である。
図2】本発明の実施形態の電力変換装置の構成ブロック図である。
図3】本発明の実施形態の電力変換装置の構成ブロック図である。
図4】本発明の実施形態の電力変換装置の電気回路図である。
【発明を実施するための形態】
【0010】
以下に、本発明の実施形態を図面を参照して説明する。
【0011】
図1は、本発明の実施形態の電力変換装置1の機能ブロック図である。
【0012】
電力変換装置1(車両用電力変換装置)は、電動車両又はプラグインハイブリッド車両に備えられ、蓄電装置(バッテリ)5の電力を回転電機(モータジェネレータ)6の駆動に適した電力に変換する。モータジェネレータ6は、電力変換装置1から供給される電力により駆動され、車両が駆動される。
【0013】
電力変換装置1は、モータジェネレータ6の回生電力を直流電力に変換して、バッテリ5を充電する。また、電力変換装置1は、車両に備えられた急速充電用のコネクタ又は普通充電用のコネクタから電力が供給されることで、バッテリ5を充電する。
【0014】
バッテリ5は、例えばリチウムイオン二次電池で構成される。バッテリ5は、電力変換装置1に直流電力を供給し、電力変換装置1から供給される直流電力により充電される。バッテリ5の電圧は例えば240V〜400Vの間で変動し、それよりも高い電圧が入力されることで、バッテリ5が、充電される。
【0015】
モータジェネレータ6は、例えば永久磁石同期電動機として構成される。モータジェネレータ6は、電力変換装置1から供給される交流電力により駆動されて、車両を駆動する。車両が減速するときは、モータジェネレータ6が回生電力を発生する。
【0016】
電力変換装置1は、ケース2内に、コンデンサモジュール10、パワーモジュール20、DC/DCコンバータ30、充電装置40、充電・DCDCコントローラ50及びインバータコントローラ70を備える。これら各部は、バスバー又は配線により電気的に接続される。
【0017】
コンデンサモジュール10は、複数のコンデンサ素子(図4参照)により構成される。コンデンサモジュール10は、電圧を平滑化することで、ノイズの除去や電圧変動の抑制を行なう。コンデンサモジュール10は、第1バスバー11と、第2バスバー12と、電力配線13とを備える。
【0018】
第1バスバー11は、パワーモジュール20に接続される。第2バスバー12は、DC/DCコンバータ30、リレー61、バッテリ5及び電動コンプレッサ9に接続される。電力配線13は、可撓性を有するケーブル(例えばリッツ線)により構成され、充電装置40に接続される。第1バスバー11と、第2バスバー12と、電力配線13とは、コンデンサモジュール10の内部で正極と負極とを共有する。
【0019】
パワーモジュール20は、複数のパワー素子(図4参照)をON/OFFすることにより直流電力と交流電力とを相互に変換する。複数のパワー素子は、パワーモジュール20に備えられるドライバ基板21によりON/OFFが制御される。
【0020】
パワーモジュール20は、コンデンサモジュール10の第1バスバー11に接続される。第1バスバー11は、正極及び負極からなる3組のバスバーからなる。パワーモジュール20は、U相、V相、W相からなる3相の出力バスバー24を備える。出力バスバー24は、電流センサ22に接続される。電流センサ22は、モータジェネレータ6側に三相の交流電力を出力するモータ側バスバー25を備える。
【0021】
インバータコントローラ70は、車両のコントローラ(図示せず)からの指示及び電流センサ22からのU相、V相、W相の電流の検出結果に基づいて、パワーモジュール20を動作させる信号をドライバ基板21に出力する。ドライバ基板21は、インバータコントローラ70からの信号に基づいて、パワーモジュール20を制御する。インバータコントローラ70、ドライバ基板21、パワーモジュール20及びコンデンサモジュール10により、直流電力と交流電力とを相互に変換するインバータモジュールが構成される。
【0022】
DC/DCコンバータ30は、バッテリ5から供給される直流電力の電圧を変換して、他の機器へと供給する。DC/DCコンバータ30は、バッテリ5の直流電力(例えば400V)を12Vの直流電力に降圧する。降圧された直流電力は、車両に備えられるコントローラや照明、ファン等の電源として供給される。DC/DCコンバータ30は、第2バスバー12を介してコンデンサモジュール10及びバッテリ5に接続される。
【0023】
充電装置40は、車両に備えられる充電用の外部コネクタから普通充電コネクタ81を介して供給される商用電源(例えば交流200V)を直流電力(例えば500V)に変換する。充電装置40により変換された直流電力は、電力配線13からコンデンサモジュール10を介してバッテリ5に供給される。これによりバッテリ5が充電される。
【0024】
充電・DCDCコントローラ50は、電力変換装置1によるモータジェネレータ6の駆動及びバッテリ5の充電を制御する。具体的には、充電・DCDCコントローラ50は、車両のコントローラからの指示に基づいて、充電装置40による普通充電コネクタ81を介したバッテリ5の充電、急速充電コネクタ63を介したバッテリ5の充電及びモータジェネレータ6の駆動、DC/DCコンバータ30による降圧を制御する。
【0025】
リレーコントローラ60は、充電・DCDCコントローラ50の制御により、リレー61の断続を制御する。リレー61は、正側リレー61a及び負側リレー61bにより構成される。リレー61は、外部コネクタから急速充電コネクタ63を介して接続された場合に通電し、急速充電コネクタ63から供給される直流電力(例えば500V)を第2バスバー12へと供給する。供給された直流電力によりバッテリ5が充電される。
【0026】
図2及び図3は、本実施形態の電力変換装置1の構成ブロック図である。図2は電力変換装置1の上面図であり、図3は、電力変換装置1の側面図である。
【0027】
ケース2の内部では、コンデンサモジュール10の周囲に、パワーモジュール20、DC/DCコンバータ30及び充電装置40が配置される。
【0028】
より具体的には、コンデンサモジュール10は、ケース2の内部において、パワーモジュール20と充電装置40との間に配置される。コンデンサモジュール10はDC/DCコンバータ30に積層され、コンデンサモジュール10の下方側にDC/DCコンバータ30が配置される。充電装置40は充電・DCDCコントローラ50に積層され、充電・DCDCコントローラ50の下方側に充電装置40が配置される。
【0029】
コンデンサモジュール10の一方の側面には、第1バスバー11が突出する。第1バスバー11には、パワーモジュール20が直接螺合等により接続される。パワーモジュール20において、第1バスバー11とは逆側に、U相、V相、W相からなる3相の出力バスバー24が突出する。
【0030】
出力バスバー24には、電流センサ22が直接螺合等により接続される。電流センサ22の下方側(図3参照)には、モータ側バスバー25が突出する。モータ側バスバー25は、パワーモジュール20の出力バスバー24のU相、V相、W相それぞれに直接接続され、3相の交流電力を出力する。モータ側バスバー25は、ケース2から露出して構成され、ハーネス等によりモータジェネレータ6に接続される。
【0031】
パワーモジュール20の上面にはドライバ基板21が積層される。ドライバ基板21の上方には、インバータコントローラ70とリレーコントローラ60とが積層して配置される。
【0032】
コンデンサモジュール10の底面側には、第2バスバー12が突出する。第2バスバー12は、コンデンサモジュール10の下方に積層して配置されるDC/DCコンバータ30に直接螺合により接続される。第2バスバー12は、また、正側リレー61a及び負側リレー61bへと接続される(図1参照)。
【0033】
第2バスバー12は、バッテリ5が接続されるバッテリ側コネクタ51と電動コンプレッサ9が接続されるコンプレッサ側コネクタ52とに、バスバー14を介して接続する。
【0034】
DC/DCコンバータ30は、バスバー31を介して車両側コネクタ82に接続される。車両側コネクタ82は、DC/DCコンバータ30が出力する直流電源を車両の各部に供給するハーネス等が接続される。
【0035】
コンデンサモジュール10の第1バスバー11とは反対の側には、電力配線13が突出する。電力配線13は、可撓性を有する柔軟なケーブルであり、充電装置40に接続される。充電装置40は普通充電コネクタ81にバスバー41を介して接続される。
【0036】
信号線コネクタ65は、電力変換装置1のDC/DCコンバータ30、充電装置40、充電・DCDCコントローラ50及びインバータコントローラ70に接続される信号線を、ケース2の外部とで接続する。
【0037】
信号線コネクタ65から充電・DCDCコントローラ50へと信号線55が接続される。信号線55は、充電・DCDCコントローラ50からリレーコントローラ60に至る信号線62と同梱されて、コンデンサモジュール10の上面を通過して充電・DCDCコントローラ50のコネクタ56に接続される。コンデンサモジュール10の上面には信号線55及び信号線62を支持するガイド部58が形成される。
【0038】
ケース2は、上ケース2aと下ケース2bとにより構成される。下ケース2bには冷却水流路4が形成されている。冷却水流路4には冷却水が流通するように構成されており、冷却水流路4の直上に載置されるパワーモジュール20、DC/DCコンバータ30及び充電装置40を冷却する。
【0039】
このように、コンデンサモジュール10は、第1バスバー11、第2バスバー12及び電力配線13を介してパワーモジュール20、DC/DCコンバータ30及び充電装置40とに接続される。このような構成により、コンデンサモジュール10と、パワーモジュール20、DC/DCコンバータ30及び充電装置40との距離を短くできるので、直流電力の経路での抵抗(R)やインダクタンス(L)を小さくすることができ、電力損失や電気ノイズを低減できる。
【0040】
さらに、コンデンサモジュール10を、発熱量が多いパワーモジュール20と充電装置40との間に配置したので、パワーモジュール20と充電装置40とで互いに熱による影響を与えることを抑制できる。特に、パワーモジュール20の動作(モータジェネレータ6の力行、回生)と、充電装置40の動作(普通充電コネクタ81によるバッテリ5の充電)とは同時に実行されることがないので、これらの間での熱による影響を排除することができる。
【0041】
次に、コンデンサモジュール10の構成を説明する。
【0042】
図4は本実施形態のコンデンサモジュール10を中心とした電気回路図である。
【0043】
コンデンサモジュール10は、コンデンサケース110の内部に複数のコンデンサ120が収容されて構成される。コンデンサモジュール10は、正極及び負極からなる一対の内部バスバー130を備え、一対の内部バスバー130の間に複数のコンデンサ120が並列に接続される。コンデンサ120及び内部バスバー130は樹脂材料によりモールドされる。
【0044】
内部バスバー130は、第1バスバー11、第2バスバー12及び電力配線13へとそれぞれ分岐する。
【0045】
第1バスバー11は、パワーモジュール20のU相、V相、W相の3相に対応する3組の正極及び負極のバスバーからなり、コンデンサケース110の底面から一方の側面へと突設される。
【0046】
第2バスバー12は1組の正極及び負極のバスバーからなり、コンデンサケース110の底面から前述の一方の側面に隣接する第2の側面へと突設される。電力配線13は、正極及び負極を有する可撓性を有するケーブルからなり、コンデンサケース110の底面側に延設される。
【0047】
第1バスバー11は、ケース2に内装されている状態でコンデンサモジュール10の一方の側面側に位置するパワーモジュール20が備えるU相、V相、W相の3相に対応する端子に接する形状とされている。第1バスバー11は、パワーモジュール20の端子に接する状態で螺合等により連結される。
【0048】
第2バスバー12は、ケース2に内装されている状態でコンデンサモジュール10の底面側に位置するDC/DCコンバータ30が備える端子に接する形状とされている。第2バスバー12は、DC/DCコンバータ30の端子に接する状態で螺合等により連結される。DC/DCコンバータ30の端子には、バスバー14が接続される。バスバー14は、リレー61、バッテリ側コネクタ51及びコンプレッサ側コネクタ52へと接続される。
【0049】
電力配線13は、ケース2に内装されている状態でコンデンサモジュール10の前記一方の側面に対向する側面に位置する充電装置40が備える端子へと接続される。電力配線13は可撓性を有するので、充電装置40の上方に配置される充電・DCDCコントローラ50や、ケース2内に備えられる他の部品や構造物を避けて、充電装置40の端子に接続される。
【0050】
このような構成により、パワーモジュール20は、モータジェネレータ6の力行及び回生時(充電装置40が動作していないとき)に動作し、コンデンサモジュール10はこのときのパワーモジュール20の直流電力を平滑化する。充電装置40は、パワーモジュール20が動作していない普通充電コネクタ81によるバッテリ5の充電時に動作し、コンデンサモジュール10はこのときの充電装置40の直流電力を平滑化する。このように、コンデンサモジュール10が、パワーモジュール20と充電装置40との直流電力を平滑化する平滑コンデンサとして機能する。
【0051】
以上のように、本発明の実施形態では、蓄電装置(バッテリ5)と負荷(モータジェネレータ6)との間で電力を変換して供給する電力変換装置1であって、バッテリ5の直流電力とモータジェネレータ6に供給する交流電力とを変換するパワーモジュール20と、外部コネクタ(普通充電コネクタ81)を介して供給される電力によりバッテリ5を充電させる充電装置40と、パワーモジュール20と充電装置40とに接続され、パワーモジュール20と充電装置40とで、それぞれの作動時の電圧を平滑化するコンデンサモジュールと、を備えるように構成した。
【0052】
このように構成することにより、パワーモジュール20と充電装置40との電力ライン上にコンデンサモジュール10を備える。すなわち、コンデンサモジュール10が、パワーモジュール20と充電装置40とで共用されるので、個別にコンデンサを別に設ける必要がなく、電力変換装置1のサイズを小型化することができると共に、電力変換装置の重量を軽減できる。
【0053】
また、本発明の実施形態の電力変換装置1は、バッテリ5の直流電圧を変換するDC/DCコンバータ30を備え、DC/DCコンバータ30は、コンデンサモジュール10に接続され、コンデンサモジュール10が、パワーモジュール20と、充電装置40と、DC/DCコンバータ30とで、それぞれの作動時における電圧を平滑化する。
【0054】
このように構成することにより、DC/DCコンバータ30に平滑化のためのコンデンサを別に設ける必要がなく、電力変換装置1のサイズを小型化することができると共に、電力変換装置の重量を軽減できる。
【0055】
また、本発明の実施形態の電力変換装置1は、コンデンサモジュール10は、第1の端子(第1バスバー11)、第2の端子(第2バスバー12)及び第3の端子(電力配線13)を備え、第1の端子はパワーモジュール20に接続され、第2の端子はDC/DCコンバータ30に接続され、第3の端子は、コンデンサモジュール10における第1の端子が設けられる側とは逆の側に備えられ、充電装置40に接続される。このような構成により、ケース2内でコンデンサモジュール10と、パワーモジュール20、DC/DCコンバータ30及び充電装置40と電力経路を短くできるので、直流電力の経路での抵抗(R)やインダクタンス(L)を小さくすることができ、電力損失や電気ノイズを低減できると共に、電力変換装置1を小型化することができる。
【0056】
また、本発明の実施形態の電力変換装置1は、負荷(モータジェネレータ6)とは異なる電動コンプレッサ9に接続するコンプレッサ側コネクタ52と、コンデンサモジュール10とコンプレッサ側コネクタと52を接続する第4の端子(バスバー14)を備えたので、ノイズを発生する可能性のある電動コンプレッサ9に接続する第4の端子ノイズを、コンデンサモジュール10により平滑化することができる。
【0057】
以上、本発明の実施形態について説明したが、上記実施形態は本発明の適用例の一つを示したものに過ぎず、本発明の技術的範囲を上記実施形態の具体的構成に限定する趣旨ではない。
【0058】
上記実施形態では、コンデンサモジュール10と充電装置40との間を可撓性を有するケーブル(電力配線13)により接続したが、これに限られない。コンデンサモジュール10と充電装置40との間をバスバーにより接続してもよいし、コンデンサモジュール10と、パワーモジュール20又はDC/DCコンバータ30との間を可撓性を有するケーブルにより接続してもよい。
【符号の説明】
【0059】
1 電力変換装置(車両用電力変換装置)
2 ケース
2a 上ケース
2b 下ケース
4 冷却水流路
5 蓄電装置(バッテリ)
6 電動機(モータ)
9 電動コンプレッサ
10 コンデンサモジュール
11 第1バスバー
12 第2バスバー
13 電力配線
14 バスバー
20 パワーモジュール
30 DC/DCコンバータ
40 充電装置
50 充電・DCDCコントローラ
52 コンプレッサ側コネクタ
60 リレーコントローラ
61 リレー
70 インバータコントローラ
81 普通充電コネクタ
82 車両側コネクタ
110 コンデンサケース
120 コンデンサ
130 内部バスバー
【要約】
【課題】装置を小型化できる車両用電力変換装置を提供する。
【解決手段】
蓄電装置と負荷との間で電力を変換する車両用電力変換装置であって、蓄電装置の直流電力と負荷に供給される交流電力とを変換するパワーモジュールと、外部コネクタを介して供給される交流電力を直流電力に変換して蓄電装置に出力する充電装置と、パワーモジュールと充電装置とに接続され、電圧を平滑化するコンデンサモジュールと、を備える。
【選択図】図1
図1
図2
図3
図4