JP2004120936A - インバータ一体型電源装置 - Google Patents

Abstract

【課題】直流電源からインバータへの入力電圧の変動が抑制され、しかもインバータが小型化された、インバータ一体型の電源装置を提供することである。
【解決手段】本発明のインバータ一体型電源装置１０では、電池及び電池を収納し直流出力部１５が形成された第１モジュール１３を含む直流電源１２と、スイッチ素子７５（図７参照）及びスイッチ素子を収納し直流出力部に導通される直流入力部が形成された第２モジュール１８を含むインバータ１７とが一体化されている。直流電源配線７１（図７参照）が廃止されるので、インバータ１７における入力電圧が安定し、平滑用コンデンサの容量を小さくできる。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、インバータと直流電源とが一体化されたインバータ一体型電源装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
直流電力をインバータで交流電力に変換し、電動機を駆動することがある。例えば、電気自動車において車載バッテリの直流電力をインバータで交流電力に変換して電動機を駆動する場合である。
【０００３】
電気自動車における一般的な電気システムの概念図を図７に示す。直流電源７０から直流電源配線７１を介してインバータ（電力変換器）７３に直流電力を供給し、インバータ７３のスイッチング素子７５で所定周波数の交流電力に電力変換する。交流電力は三相交流配線７７を介して電動機７８に供給される。電動機７８は通電と回生とを繰り返しながら回転するため、直流電源７０からインバータ７３に供給される直流電力は一定にならない。しかも、直流電源配線７１には配線抵抗や配線インダクタンスがある。そのため、インバータ７３への入力電圧が不安定になる。
【０００４】
これを防止するため、インバータ７３の入力側に大容量の平滑用コンデンサ７４を配置して２次電源とし、インバータ７３から電動機７８への交流電力の供給を安定化させている。従来の具体的な電気システムでは、電動機がトランジスタを内蔵したインバータ回路を介してバッテリ及び制御ユニットに電気的に接続されている（特許文献１及び特許文献２参照）。
【０００５】
【特許文献１】
特開平２０００−１８４５０６号公報（段落番号００５２，図１参照）
【特許文献２】
特開平６−２７６６０８号公報（段落番号０００３，図９参照）
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記大容量の平滑用コンデンサは寸法が大きく、インバータ内で大きなスペースを占める。これは近年高まっているインバータの小型化の要請に反し、その分エンジンルーム内で他の機器の配置スペースが制約される。
【０００７】
本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、直流電源からインバータへの入力電圧の変動が抑制され、しかもインバータが小型化された、インバータ一体型の電源装置を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本願の発明者は、入力電圧の変動原因である直流電源配線を廃止する方策、及びインバータを小型化する方策について鋭意研究した。その結果、直流電源とインバータとを一体化することを思い付いて、本発明を完成した。
【０００９】
本発明のインバータ一体型電源装置は、電池及び電池を収納し直流出力部が形成された第１モジュールを含む直流電源と、スイッチ素子及びスイッチ素子を収納し直流出力部に導通される直流入力部が形成された第２モジュールを含むインバータと、が一体化されていることを特徴とする。このインバータ一体型電源装置は、直流電源とインバータとが従来のような直流電源配線を介することなく、直接導通される。
【００１０】
請求項２のインバータ一体型電源装置は請求項１において、直流電源の上にインバータが載置されている。請求項３のインバータ一体型電源装置は請求項２において、直方体形状の第１モジュールの上面に直流出力部が形成され、直方体形状の第２モジュールの下面に直流入力部が形成されている。
【００１１】
請求項４のインバータ一体型電源装置は請求項２において、直方体形状の第１モジュールの側縁に直流出力部が形成され、直方体形状の第２モジュールの側縁に直流入力部が形成されている。請求項５のインバータ一体型電源装置は請求項１において、インバータは更に、小容量の平滑用コンデンサを含む。請求項６のインバータ一体型電源装置は請求項１において、インバータは平滑用コンデンサを含まない。
【００１２】
【発明の実施の形態】
＜直流電源＞
直流電源は電池と第１モジュールとを含む。電池とは単電池（セル）の集合であり、燃料電池等電気自動車やハイブリッド車で使用されている各種単電池が使用できる。所定の電圧を得るために多数の単電池を組み合わせる。
【００１３】
第１モジュールは樹脂等から成り、容器状で直方体形状を持つことができる。その内部に多数の単電池を収納し、その上面の一部又は側縁に直流出力部を備える。
＜インバータ＞
インバータは少なくともスイッチング素子と第２モジュールとを含み、場合によって比較的容量の小さい平滑コンデンサを含むことができる。各相のスイッチング素子はトランジスタやダイオードから成り、基板上に配置されている。
【００１４】
第２モジュールは樹脂等から成り、容器状で直方体形状を持ち、内部に基板が取り付けられる。その下面の一部又は側縁の、第２モジュールを第１モジュール上に載置したとき上記直流出力部に対向する位置に、直流入力部を備えている。また、上面又は側面に三相交流出力部を備えている。
【００１５】
尚、直流電源の廃止によりインバータ入力部の電圧変動が抑制され、電動機の出力特性への実用上の影響がなくなる場合、平滑用コンデンサを廃止することができる。
＜直流電源とインバータとの関係＞
インバータ一体型電源装置では直流電源とインバータとが一体化されている。一体化とは構造的に一体化の意であり、両者が分離しておらず物理的に結合していることを言う。一体化の第１態様として、直流電源とインバータとを縦方向に重ねることができる。インバータの上に直流電源を載置することもできるが、一般に電源装置の方が大きく重いので、直流電源の上にインバータを載置すること方が望ましい。
【００１６】
この場合、図５（ａ）に示すように、１つのモジュール５０が２つのスペース５１ａ及び５１ｂを持ち、下方のスペース５１ａに直流電源５２が上方のスペース５１ｂにインバータ５３が収納されても良いし、図５（ｂ）に示すように、下方のモジュール５４のスペース５５に直流電源５６が、上方のモジュール５７のスペース５８にインバータ５９が収納されても良い。
【００１７】
第２態様として、直流電源とインバータとを横方向に並べても良い。この場合、図６（ａ）に示すように、１つのモジュール６０が２つのスペース６１ａ及び６１ｂを持ち、右方のスペース６１ａに直流電源６２が、左方のスペース６１ｂにインバータ６３が収納されても良いし、図６（ｂ）に示すように、右方のモジュール６４のスペース６５に直流電源６６が、左方のモジュール６７のスペース６８にインバータ６９が収納されても良い。
【００１８】
インバータ一体型電源装置は、例えばハイブリッド自動車の座席の下方やボンネット内に搭載して電動機の駆動のために利用することができる。尚、本発明の特徴は直流電源とインバータとを一体化することにあり、名称がどうあれ（インバータ一体化電源装置、電源一体化インバータ装置）、両者が一体化されているものは本発明に含まれる。
＜自動車、電動機等＞
自動車とは電気自動車又はハイブリッド自動車であり、電動機とはモータ又はモータジェネレータ（ＭＧ）のことである。ＭＧはモータの機能とオルタネータと機能とを持ち三相交流で駆動され、エンジンの起動、車両のスムーズな発進及び停止を補助する。また、エンジンの出力や車軸の回転エネルギを電気エネルギに変換して直流電源に貯える機能を持つ。電動機とインバータとは三相交流配線により接続される。
【００１９】
【実施例】
以下、本発明の実施例を添付図面を基にして説明する。
＜実施例＞
（構成）
図３にハイブリッド自動車の電気システムを示す。電気システムはインバータ一体型電源装置１０、ＭＧ２６、変速機３２及びガソリンエンジン３１から成る。図１及び図２に示すように、インバータ一体型電源装置１０は、直流電源１２と、インバータ１７とを含む。直流電源１２の直方体形状のモジュール１３内には多数の単電池（不図示）が収納されている。モュール１３の上面１４に凸状の直流出力部１５が形成されている。直流出力部１５は正極端子と負極端子とを含み、各端子に単電池の正極及び負極が接続されている。
【００２０】
インバータ１７の樹脂製で直方体形状のモジュール１８は、その内部にスイッチング素子及び容量の小さい平滑用コンデンサ（何れも不図示）を含み、その下面１９に凹状の直流入力部（不図示）が形成されている。モジュール１８をモジュール１３の上に載置したとき、モジュール１３の上面１４にモジュール１８の下面が密着し、直流出力部１５が直流入力部に嵌合する。また、モジュール１８の側面２１には凸状の三相交流出力部２２が形成されている。平面視において、二つのモジュール１３と１８はほぼ同じ形状、大きさである。
【００２１】
モジュール１８の三相交流出力部２２から三相交流配線２６が伸び、ＭＧ２６の三相交流入力部２７に接続されている。インバータ一体型電源装置１０はハイブリッド自動車において座席の下方やボンネット内に搭載されている。
（作用効果）
図３において、車両の発進時及び発進後エンジン３１が始動するまでの間、ＭＧ２６が車両を駆動する。通常走行時、エンジン３１が変速機３２を介して車輪３３を駆動するとともにＭＧ２６を駆動する。ＭＧ２６で発電された電力はインバータ１７を介して直流電源１２に充電される。回生制動時、ＭＧ２６は車輪３３により駆動され、発電された回生エネルギは直流電源１２に貯えられる。
【００２２】
停止時、エンジン３１を自動停止（アイドルストップ）する。その後エンジン３１を再始動する際、直流電源１２の直流電力がインバータ１７により交流電力に変換され、ＭＧ２６が回転する。
【００２３】
本実施例によれば、以下の効果が得られる。
【００２４】
第１に、直流電源１２からインバータ１７への入力電圧が安定し、ＭＧ２６の出力が安定する。その理由は、直流電源１２とインバータ１７とが直流出力部１５と直流入力部とで直接導通されているからである。即ち、直流電源配線７１（図７参照）が廃止されているため、配線インダクタンス等による入力電圧の変動が殆んどなくなる。
【００２５】
その結果、インバータ１７の平滑用コンデンサ（不図示）は従来の平滑用コンデンサ７４（図７参照）よりも小容量で、寸法が小さいもので済む。入力電圧を安定化させるために必要なコンデンサ容量を確保する目的で配置される複数個の平滑コンデンサ７４は、インバータ内の容積の少なからぬ部分を占める。よって、平滑コンデンサ７４が小型化できる意義は大きく、その分インバータ１７の寸法が小さくできる。
【００２６】
第２に、直流出力部１５と直流入力部とは直流電源１２の上にインバータ１７を載置するのみで簡単かつ確実に導通される。直流出力部１５と直流入力部とが互いに対向する位置に形成され、しかも直流出力部１５は凸状で直流入力部は凹状とされているからである。
【００２７】
第３に、モジュール１３とモジュール１８とは平面視でほぼ同じ形状を持つので、モジュール１３の上にモジュール１８を載置したとき、両者一体でコンパクトな直方体形状を形成する。両者の電極位置のずれは凸状の直流出力部１５と凹状の直流入力部との嵌合により阻止される。また、重量が重い直流電源１２の上に重量が軽いインバータ１７を載置しているので、インバータ一体型電源装置１０が安定している。
＜変形例＞
図４に示す変形例では、直流電源４１のモジュール４２の直流出力部４３と、インバータ４５のモジュール４６の直流入力部４７及び三相交流出力部４９の構成が上記実施例とは異なる。直流出力部４３は矩形板形状を持ち、モジュール４２の側面の上面寄りのくぼみ４４内に固定され、上方に突出している。直流入力部４７は矩形板形状を持ち、モジュール４６の側面のくぼみ４８ａに固定されている。モジュール４６の上面の側面寄りのくぼみ４８ｂには三相交流出力部４９が形成されている。
【００２８】
この変形例によれば、直流出力部４３及び直流入力部４７の配置に融通性が生じ、また両者が導通したかどうかを目視確認できる。
【００２９】
【発明の効果】
以上述べてきたように、本発明のインバータ一体型電源装置によれば、直流電源とインバータとを直接導通させ、両者間の直流電源配線を廃止した。よって、インバータにおける入力電圧が安定し、また平滑用コンデンサの小型化によりインバータの寸法を小さくすることができる。
【００３０】
請求項２のインバータ一体型電源装置によれば、全体が構造的にコンパクトになりしかも安定する。請求項３のインバータ一体型電源装置によれば、直流電源上にインバータを載置するのみで直流出力部と直流入力部とが容易かつ確実に導通される。請求項４のインバータ一体型電源装置によれば、直流出力部及び直流入力部の配置に融通性が生ずる。請求項５のインバータ一体型電源装置によれば、小容量の平滑用コンデンサの収納によりインバータの寸法が小さくなる。請求項６のインバータ一体型電源装置によれば、平滑用コンデンサの廃止によりインバータの寸法を更に小さくできる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例によるインバータ一体型電源装置及び電動機を示す斜視図である。
【図２】上記インバータ一体型電源装置の分解斜視図である。
【図３】上記インバータ一体型電源装置を含むハイブリッド自動車の電気システムを示す平面説明図である。
【図４】上記インバータ一体型電源装置の変形例を示す分解斜視図である
【図５】（ａ）及び（ｂ）は直流電源とインバータとが縦方向に積載された実施の形態を示す説明図である。
【図６】（ａ）及び（ｂ）は直流電源とインバータとが横方向に積載された実施の形態を示す説明図である。
【図７】電気自動車の一般的な電気システムを示す説明図である。
【符号の説明】
１０：インバータ一体型電源装置　　　　　１２：直流電源
１３：第１モジュール　　　　　　　　　　１５：直流出力部
１７：インバータ　　　　　　　　　　　　１８：第２モジュール
２２：三相交流出力部　　　　　　　　　　２４：三相交流配線
２６：電動機

Claims (6)

1. 電池及び該電池を収納し直流出力部が形成された第１モジュールを含む直流電源と、スイッチ素子及び該スイッチ素子を収納し前記直流出力部に導通される直流入力部が形成された第２モジュールを含むインバータと、が一体化されていることを特徴とするインバータ一体型電源装置。
2. 前記直流電源の上に前記インバータが載置されている請求項１に記載のインバータ一体型電源装置。
3. 直方体形状の前記第１モジュールの上面に前記直流出力部が形成され、直方体形状の前記第２モジュールの下面に前記直流入力部が形成されている請求項２に記載のインバータ一体型電源装置。
4. 直方体形状の前記第１モジュールの側縁に前記直流出力部が形成され、直方体形状の前記第２モジュールの側縁に前記直流入力部が形成されている請求項２に記載のインバータ一体型電源装置。
5. 前記インバータは更に、小容量の平滑用コンデンサを含む請求項１に記載のインバータ一体型電源装置。
6. 前記インバータは平滑用コンデンサを含まない請求項１に記載のインバータ一体型電源装置。

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