JP2004312866A

JP2004312866A - インバータ装置

Info

Publication number: JP2004312866A
Application number: JP2003102508A
Authority: JP
Inventors: Raita Nakanishi; 雷太中西
Original assignee: Nichicon Corp
Current assignee: Nichicon Corp
Priority date: 2003-04-07
Filing date: 2003-04-07
Publication date: 2004-11-04

Abstract

【課題】インバータ装置の半導体モジュールを載置した冷却ブロックの下面に配置されたコンデンサに重量負担をかけることなく、インバータボックスに安定して格納する。
【解決手段】冷却ブロック載置面上に配置され、（＋）電源端子と（−）電源端子が各々、（＋）ブスラインおよび（−）ブスラインを介して直流電源に接続される半導体モジュールと、上記冷却ブロックを挟んで半導体モジュールと対向する面に配置され、（＋）充放電端子と（−）充放電端子を有するコンデンサと、上記半導体モジュールの（＋），（−）電源端子とコンデンサの（＋），（−）充放電端子とを各々、接続する複数の接続導体とを備えてなるインバータを、インバータボックスに格納し、該ボックスの縁部にて上記冷却ブロックを支持し固定する。上記冷却ブロックに半導体モジュールを複数載置し、インバータボックスの底部に曲面部を設け、該曲面部にコンデンサ側面を当接させる。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ハイブリッド電気自動車や燃料電池車の走行モータを駆動制御する三相インバータ装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
図７はパラレル・ハイブリッド電気自動車の構造を示す図、図８はシリーズ・ハイブリッド電気自動車の構造を示す図、図９は燃料電池車の構造を示す図である。
パラレル・ハイブリッド電気自動車の構造は、図７に示すようにエンジン１と電動機６による二つの駆動動力源を持ち、それらの動力が並列に駆動輪９に伝達されるものである。すなわち、エンジン１の出力軸７はクラッチ８を介して駆動輪９に接続するとともに、発電機２を接続してその発電出力をコンバータ３で直流に変換して二次電池４に充電し、充電電圧をインバータ５で三相交流に変換して電動機６を駆動させ、駆動輪９を回転させる。上記の如きハイブリッド電気自動車のエンジン１と電動機６の動力関係は、エンジン効率の悪い低速大トルク領域を電動機６で大幅にアシストするもので、その結果、燃費効率が高くなる。
【０００３】
また、シリーズ・ハイブリッド電気自動車は、図８に示すようにエンジン１と駆動輪９の間に発電機２、コンバータ３、二次電池４、インバータ５、電動機６を直列に接続し、エンジン１は専ら発電機２を駆動する発電に徹し、その発電電力をコンバータ３経由で二次電池４に蓄え、走行は二次電池４とインバータ５により駆動する電動機６だけで行うものである。このハイブリッド、電気自動車は、発電するエンジン１をエネルギー効率の最良な回転数で作動させ、二次電池４に充電して駆動すれば、高い燃費効率が得られる点でシンプルで優れた方式といえる。
【０００４】
また燃料電池車は、図９に示す通り、空気中の酸素１０を取り込み、水素１１と化学反応させて電気を発電する燃料電池１２を搭載し、燃料電池１２とインバータ５、電動機６、駆動輪９を直列に接続し、発進・加速時の補助電源１３（例えば、キャパシタやＮｉ水素電池）を燃料電池１２に並列接続するもので、走行をインバータ５により駆動する電動機６だけで行うものであり、クリーンなエネルギー源を利用した車として将来を期待されている。
【０００５】
図７〜９で用いるインバータ５は直流電力を交流電力に変換する装置であり、またコンバータ３はインバータ５とは逆に、交流電力を直流電力に変換する装置として用いる。これらのインバータ５およびコンバータ３はその制御方式を変えることで双方向に電力変換を実施することが可能であり、同一の装置を用いることができる。
【０００６】
図７〜９に示すハイブリッド電気自動車、および燃料電池車に用いるインバータ５およびコンバータ３は、一般に、外部との電気絶縁、水分の侵入防止を目的として、インバータボックスなる格納ケースに収めて外部と密閉遮断して使用されている。
上記インバータ格納の従来例の斜視図を図１０に、縦側面透過図を図１１に示す（例えば、特許文献１〜３参照）。
【０００７】
【特許文献１】
特開平７−２９８６４１（第１−７頁、図３、図８）
【特許文献２】
特開２００１−８６７６９（第２−３頁、図３）
【特許文献３】
特開平１１−３４６４８０（第２−４頁、図１）
【０００８】
図１０、図１１では、インバータ５とコンバータ３を同一ケースに格納しており、ケース１４の下部には冷却ブロック１５が設けられ、２つのニップル１６により冷却液を循環させて、インバータボックス全体を冷却する。冷却ブロック上面には、同一形状のインバータ５とコンバータ３が２台、コンデンサ１７の充放電端子を向かい合わせて配置されている。インバータ５およびコンバータ３の構成は、冷却ブロック１５の上面に半導体モジュール１８を配置し、半導体モジュール１８の上面にコンデンサ１７を配置している。コンデンサ１７の（＋）充放電端子１９と半導体モジュール１８の（＋）電源端子２０、およびコンデンサ１７の（−）充放電端子２１と半導体モジュール１８の（−）電源端子２２が、それぞれＬ字形状の接続導体（ブスライン）２３、２４で接続されている。
インバータ５およびコンバータ３の電源端子は、各々の（＋）電源端子、（−）電源端子をブスライン２５、２６で接続し、ブスライン間に絶縁紙２７を挟んで積層配置された状態で電源端子２８に接続する。また、コンバータ３の入力端子２９は、外部接続端子３０を介して発電機２に接続されるとともに、インバータ５の出力端子３１は、外部接続端子３２を介して電動機６に接続される。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
上記した従来の三相インバータ装置においては、ハイブリッド電気自動車の補助動力としての用途を想定した場合に、取り扱うインバータ電力は１０〜２０ｋＷクラスが主流であった。
しかし、シリーズ方式ハイブリッド電気自動車や燃料電池車など、走行用モータのみで駆動する電気自動車においては、取り扱うインバータ電力が４０〜１００ｋＷと非常に大きくなるため、コンデンサとスイッチングユニット間の接続端子等、三相インバータ回路の各端子間の接続導体を最短配線して誘導電圧を抑制しなければならず、また、コンデンサに流れるリプル電流による発熱を抑制して、コンデンサの寿命低下を抑える必要がある。
発熱による寿命低下を軽減するために、定格リプル電流の大きいコンデンサを選択すると、コンデンサが大型化して接続導体が長くなり、配線インダクタンスによる誘導電圧が大きくなってしまうという問題がある。
【００１０】
これらの問題を解決するため、考えられたものとして、図１２に示すインバータ装置がある。これは、冷却ブロック３３上に半導体モジュール１８を載置し、載置面と対向する面にコンデンサ１７を配置して、半導体モジュール１８の（＋），（−）電源端子とコンデンサ１７の（＋），（−）充放電端子間の接続導体２３、２４の寸法を短くしてラインインダクタンスによる誘導電圧を抑制するとともに、コンデンサのリプル電流による温度上昇を冷却ブロック１５により抑制している。
しかし、図１２のインバータ装置は、冷却ブロック１５の下面にコンデンサ１７を配置する構造のため、インバータボックスに格納しづらいという問題が発生する。すなわち、コンデンサ１７の下面をインバータボックスに固定した場合、冷却ブロック１５と半導体モジュール１８の重みが全てコンデンサ１７にかかるため、走行中の加速度等により、コンデンサ１７がその重みに耐えられなくなり変形するという問題がある。
例えば、φ５１×７０Ｌのアルミ電解コンデンサについて、側面からコンデンサ中央部に荷重をかけてケース変形を確認したところ、約１６６Ｎで復元性のある変形が発生し始め、約１９６Ｎ以上では復元できない変形が発生することを確認している。今仮に、冷却ブロックと半導体モジュールとの重量を５ｋｇとすると、約３．４Ｇの重力加速度がかかったときからコンデンサに変形が生じてしまう。
【００１１】
本発明は、上記の課題を解決するものであって、インバータの冷却ブロック部をインバータボックスの縁部で支持し固定することで、冷却ブロックの下面に配置されたコンデンサに重量負担をかけることなく、インバータをインバータボックスに安定して格納する技術を提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
すなわち、冷却ブロック１５載置面上に配置され、（＋）電源端子２０と（−）電源端子２２が各々、（＋）ブスライン２５および（−）ブスライン２６を介して直流電源に接続される半導体モジュール１８と、上記冷却ブロック１５を挟んで半導体モジュール１８と対向する面に配置され、（＋）充放電端子１９と（−）充放電端子２０を有するコンデンサ１７と、上記半導体モジュール１８の（＋）電源端子２０、（−）電源端子２２とコンデンサ１７の（＋）充放電端子１９、（−）充放電端子２１とを各々、接続する複数の接続導体２３、２４とを備えてなるインバータ５を、インバータボックス３４に格納し、該ボックス３４の縁部４６にて上記冷却ブロック１５を支持し固定することを特徴とするインバータ装置である。
【００１３】
また、上記冷却ブロック１５に半導体モジュール１８を複数載置することを特徴とするインバータ装置である。
【００１４】
さらに、上記インバータボックス３４の底部に曲面部４９を設け、該曲面部４９にコンデンサ側面を当接させたことを特徴とするインバータ装置である。
【００１５】
【発明の実施の形態】
半導体モジュール１８の（＋）電源端子２０、（−）電源端子２２とコンデンサ１７の（＋）充放電端子１９、（−）充放電端子２１とを各々、複数の接続導体２３、２４で接続してなるインバータ５をインバータボックス３４に格納し、該ボックス３４の縁部４６で上記冷却ブロック１５を支持し固定する。
上記構成により、冷却ブロック１５と半導体モジュール１８との重量をコンデンサにかけることなく、インバータボックス３４に安定して格納することができる。
【００１６】
また、上記冷却ブロック１５に半導体モジュール１８を複数載置する。
上記構成により、シリーズ・ハイブリッド電気自動車やパラレル・ハイブリッド電気自動車に用いられるインバータとコンバータを同一のインバータボックス３４に格納する場合、一つの冷却ブロックを共用することができ、限られた面積で効率よくインバータを格納することができる。
【００１７】
さらに、上記インバータボックス３４の底部に曲面部４９を設け、該曲面部４９にコンデンサ１７側面を当接させる。
上記構成により、コンデンサの放熱性がさらに高められる。
【００１８】
【実施例】
以下、本発明による実施例について、図面を参照して説明する。
本発明を利用したインバータ装置について、図９に示す燃料電池車に使用されるインバータ装置を例に挙げて説明する。
図１は、該インバータ装置をインバータボックスに格納し、ネジ止め固定するときの斜視図であり、図２は該インバータ装置を蓋で覆い、ネジ止め固定するときの斜視図である。また、図３は図１のインバータ装置の縦側面透過図である。
図１〜３のインバータ５において半導体モジュール１８はアルミニウム製冷却ブロック１５の載置面３３に熱伝導性グリスを介して配置される。半導体モジュール１８の内部には、Ｕ、Ｖ、Ｗの各相からなる３相インバータ回路が内蔵され、外部コントローラに接続端子３５を介して接続される。
【００１９】
半導体モジュール１８の電源端子側の面には、（＋）電源端子２０、（−）電源端子２２が配置され、半導体モジュール１８の側面方向からネジ止めにて外部配線と接続できる構造を有している。コンデンサ１７は、（＋）充放電端子１９、（−）充放電端子２１が冷却ブロック載置面３３と平行な方向に突出する姿勢で、冷却ブロック１５の載置面３３と対向する面に配置される。
半導体モジュール１８の（−）電源端子２２とコンデンサ１７の（−）充放電端子２１は（−）ブスライン２４で接続され、（＋）電源接続端子２０と（＋）充放電端子１９は（＋）ブスライン２３で接続され、（＋）ブスライン２３と（−）ブスライン２４との間に絶縁シート２７が挟み込まれる。
【００２０】
半導体モジュール１８の出力端子側の面には、Ｕ相出力端子３６、Ｖ相出力端子３７、Ｗ相出力端子３８が配置され、電流センサ３９ａ、３９ｂ、３９ｃの中空孔を通して、Ｕ相ブスライン４０、Ｖ相ブスライン４１、Ｗ相ブスライン４２が接続されている。また、インバータ５の入力端子側の（＋）ブスライン２３、（−）ブスライン２４は、外部接続端子４３を介して燃料電池側に接続されるとともに、インバータ５の出力端子側ブスライン４０〜４２は、外部接続端子４４を介して電動機側に接続される。
複数のコンデンサ１７は押さえ金具４５で一体化され、冷却ブロック１５にネジ止め固定されている。また、冷却ブロック１５は、冷却液を二つのニップル１６を介して循環させて、半導体モジュール１８とコンデンサ１７を冷却する。
【００２１】
上記のインバータ５をインバータボックス３４に格納するに際し、インバータボックス３４の縁部４６には、インバータ５の冷却ブロック１５に嵌合できる嵌合部４６ａを設けておき、インバータ５を嵌合させ、ネジ４７ａでネジ止め固定する。
この時、嵌合部４６に液状ガスケット等を塗布することで、インバータ内部への水分の侵入が防止される。
さらに図２に示すように、インバータボックスに組み込まれたインバータ装置を蓋４７で密封し、ネジ止め固定する。この時、上記と同様に接合面に液状ガスケットを塗布して気密性を高め、外部からの水分侵入を抑制する。
以上のとおり、インバータ５をインバータボックス３４に格納するにあたり、冷却ブロック１５の両端をインバータボックス３４の嵌合部４６と嵌合し、支持固定することで、コンデンサ１７に重量負担をかけることなく、容易にインバータを格納することができる。
【００２２】
さらにシリーズ・ハイブリッド電気自動車（図７）やパラレル・ハイブリッド電気自動車（図８）に用いられる、インバータとコンバータを同一インバータボックスに格納する場合のインバータ装置の斜視図を図４、図５に示す。図４はインバータボックスにインバータとコンバータを組み込んでネジ止め固定するときの斜視図を示し、図５はインバータボックスに組み込んだインバータとコンバータを蓋で密封するときの斜視図を示している。上述したとおり、インバータは直流電力を交流電力に変換する装置であり、コンバータはインバータとは逆に、交流電力を直流電力に変換する装置として用いるが、これらインバータおよびコンバータはその制御方式を変えることで双方向に電力変換を実施することが可能であり、同一の装置を用いることができる。従って、図４、図５に記載したインバータおよびコンバータは、図１〜３と基本構成が同一であることから、各装置の詳細説明は省略する。
【００２３】
図４において、インバータ５およびコンバータ３はともに、冷却ブロック１５の載置面３３に半導体モジュール１８を並べた配置となっている。
インバータ５およびコンバータ３の（＋）電源端子２０、（−）電源端子２２は各々、冷却ブロック１５の載置面３３と対向する面に配置されたコンデンサ１７の（＋）充放電端子１９、（−）充放電端子２１と、（＋）ブスライン２３および（−）ブスライン２４で接続される。
また、インバータ５およびコンバータ３の（＋）電源端子２０、および（−）電源端子２２間を同一のブスラインで接続して、コンデンサ１７を共用し、ブスライン電圧をさらに安定化している。
さらに、インバータ５およびコンバータ３に接続される（＋）ブスライン２３、（−）ブスライン２４は、外部接続端子４３を介して二次電池側に接続されるとともに、インバータ５の出力端子側ブスライン４０〜４２は、外部接続端子４４を介して電動機側に接続され、コンバータ３の出力端子側ブスライン４０〜４２は、外部接続端子４８を介して発電機側に接続される。
【００２４】
上記のインバータ５とコンバータ３を同一のインバータボックス３４に格納するに際し、冷却ブロック１５をインバータボックス３４に直接嵌合させて、ネジ４７ａでネジ止め固定する。この時、嵌合部４６ａに液状ガスケット等を塗布することで、インバータ内部への水分の侵入が防止される。さらに図５に示すように、インバータボックス３４に組み込まれたインバータ装置を蓋４７で密封し、ネジ止め固定する。この時、上記と同様に接合面に液状ガスケットを塗布して気密性を高め、外部からの水分侵入を抑制する。
以上のとおり、インバータ５とコンバータ３を同一のインバータボックス３４に格納するにあたり、冷却ブロック１５の両端をインバータボックス３４の嵌合部４６と嵌合させ、支持固定することで、コンデンサ１７に重量負担をかけることなく、容易にインバータを格納することができる。さらに、インバータ５とコンバータ３の電源端子を互いに接続して、インバータの入力段に接続されたコンデンサ１７を共用することで、二次電池とインバータ間のブスライン電圧を安定させることができる。
【００２５】
また、図６に示すように、インバータボックス３４の底部にコンデンサ１７の側面と密着する曲面部４９を設けて、熱伝導性シート５０をコンデンサ１７との間に挟み込み、密着・嵌合する構造を取ることで、リプル電流によるコンデンサ１７の発熱をインバータボックス３４に放熱することができ、また、該ボックスから冷却ブロックに放熱することで冷却能力はさらに高められる。さらにコンデンサ１７に荷重がかからないように熱伝導性シート５０を衝撃吸収材として利用することもできる。
【００２６】
【発明の効果】
以上説明したように、インバータをインバータボックスに格納し、該ボックスの縁部で上記冷却ブロックを支持し固定する構成により、冷却ブロックと半導体モジュールとの重量をコンデンサにかけることなく、インバータボックスに安定して格納することができる。
また、冷却ブロックに半導体モジュールを複数載置する構成により、インバータとコンバータを同一のインバータボックスに格納する場合に、一つの冷却ブロックを共用することができ、限られた面積で効率よくインバータボックスに格納することができる。
さらに、インバータボックスの底部に曲面部を設け、該曲面部にコンデンサ側面を密着させる構成により、コンデンサの放熱性をさらに高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例による、インバータ装置の組立時の斜視図である。
【図２】図１のインバータ装置に蓋を取り付ける時の斜視図である。
【図３】図１のインバータ装置の縦側面透過図である。
【図４】本発明の他の実施例による、インバータ装置の組立時の斜視図である。
【図５】図４のインバータ装置に蓋を取り付ける時の斜視図である。
【図６】本発明の他の実施例による、インバータ装置の組立時の斜視図である。
【図７】パラレル・ハイブリッド電気自動車の構造を示す図である。
【図８】シリーズ・ハイブリッド電気自動車の構造を示す図である。
【図９】燃料電池車の構造を示す図である。
【図１０】従来例による、インバータ装置の斜視図である。
【図１１】図１０のインバータ装置の縦側面透過図である。
【図１２】他の従来例による、インバータ装置の斜視図である。
【符号の説明】
１エンジン
２発電機
３コンバータ
４二次電池
５インバータ
６電動機
７出力軸
８クラッチ
９駆動輪
１０酸素
１１水素
１２燃料電池
１３補助電源
１４インバータボックス
１５冷却ブロック
１６ニップル
１７コンデンサ
１８半導体モジュール
１９（＋）充放電端子
２０（＋）電源端子
２１（−）充放電端子
２２（−）電源端子
２３（＋）ブスライン（接続導体）
２４（−）ブスライン（接続導体）
２５（＋）ブスライン（接続導体、燃料電池側）
２６（−）ブスライン（接続導体、燃料電池側）
２７絶縁紙
２８電源端子
２９コンバータ入力端子
３０外部接続端子
３１インバータ出力端子
３２外部接続端子
３３冷却ブロック載置面
３４インバータボックス
３５外部コントローラ接続端子
３６Ｕ相出力端子
３７Ｖ相出力端子
３８Ｗ相出力端子
３９ａ、３９ｂ、３９ｃ電流センサ
４０Ｕ相ブスライン
４１Ｖ相ブスライン
４２Ｗ相ブスライン
４３外部接続端子（燃料電池側）
４４外部接続端子（電動機側）
４５押さえ金具
４６縁部
４６ａ嵌合部
４７蓋
４７ａ、４７ｂネジ
４８外部接続端子
４９曲面部
５０高熱伝導性シート

Claims

冷却ブロック載置面上に配置され、（＋）電源端子と（−）電源端子が各々、（＋）ブスラインおよび（−）ブスラインを介して直流電源に接続される半導体モジュールと、上記冷却ブロックを挟んで半導体モジュールと対向する面に配置され、（＋）充放電端子と（−）充放電端子を有するコンデンサと、上記半導体モジュールの（＋），（−）電源端子とコンデンサの（＋），（−）充放電端子とを各々、接続する複数の接続導体とを備えてなるインバータを、インバータボックスに格納し、該ボックスの縁部にて上記冷却ブロックを支持し固定することを特徴とするインバータ装置。
上記冷却ブロックに半導体モジュールを複数載置することを特徴とする請求項１記載のインバータ装置。
上記インバータボックスの底部に曲面部を設け、該曲面部にコンデンサ側面を当接させたことを特徴とする請求項１記載のインバータ装置。