JP2010061954A - 車両用電力ケーブル、および車両用駆動装置 - Google Patents

Abstract

【課題】シールド層による電磁波ノイズ遮蔽効果を維持しつつ、インバータ側およびモータ側のいずれの構成についても大型化させることを抑制した車両用電力ケーブルを提供する。
【解決手段】車体４に設置されたインバータ１４によって直流電力から変換された交流電力を、車体４に設置されたモータ１６に給電するためにインバータ１４とモータ１６とを電気的に接続するケーブル２４ｕ，２４ｖ，２４ｗと、ケーブルの長手方向に沿って延設されてケーブル周囲を覆うとともに両端部において車体４に対して接地されている導電性のシールド層３２とを含む車両用電力ケーブル１０であって、シールド層３２は前記長手方向の途中で分断され、この分断部３６におけるシールド層分断両端部３６ａ，３６ｂがインピーダンス手段３８を介して連結されている。
【選択図】図２

Description

本発明は、車両用電力ケーブルおよびこれを用いた車両用駆動装置に係り、特に、ケーブルから放射される電磁波を遮蔽するシールド層を有する車両用電力ケーブルおよびこれを用いた車両用駆動装置に関する。

従来より、交流モータを走行用動力源として有する電動車両が知られている。このような電動車両では、一般に、バッテリから供給される直流電力をインバータで交流電力に変換した後に交流モータへ入力し、これにより交流モータを回転駆動して走行用動力を得るようになっている。

上記電動車両に適用可能な技術として、特許文献１には、高周波の電位変動が車体に伝播するのを抑制する車両用パワー・エレクトロニクス・システムが開示されている。この車両用パワー・エレクトロニクス・システムは、インバータで直流から交流に変換された電力は、３本のシールド線によりモータに給電される。インバータおよびモータは、金属製の筐体によりそれぞれ個別に格納され、各筐体は接地線を介して車体にそれぞれ接地されている。各シールド線は、各筐体に設けられた貫通孔を、絶縁材で筐体から電気的に絶縁された状態で貫通する。シールド線の芯線の両端部は、インバータおよびモータの各相端子に接続されている。筐体内に導入されたシールド線の端部のシールド層は、高周波伝達抑制手段としての高周波リアクトルを介して、インバータを格納する筐体に電気的に接続されている。この構成によれば、インバータのスイッチングにより芯線に生じる高周波は、シールド層に高周波の電位変動を誘引するが、高周波リアクトルで吸収されため、接地線を通じて車体に伝播するのを抑制できる、と記載されている。

特開２００６−８０２１５号公報

しかしながら、上記特許文献１の車両用パワー・エレクトロニクス・システムでは、シールド層の端部を、シールド層とは別途に設けた高周波リアクトルを介して金属製筐体に接続する構成を採るために、システムのインバータ回路側の構成が大型化する可能性がある。特に、電動車両のうち、モータに加えてエンジンを走行用または発電モータ用の動力源として備えるハイブリッド車両においては、エンジンおよびモータを車両に搭載するために許容される設置スペースがより狭いものになるため、上記のような高周波リアクトルの配置によるインバータ回路側の構成の大型化は望ましくない。

本発明の目的は、シールド層による電磁波ノイズ遮蔽効果を維持しつつ、インバータ側およびモータ側のいずれの構成についても大型化させることを抑制した車両用電力ケーブル、およびこれを用いた車両用駆動装置を提供することにある。

本発明に係る車両用電力ケーブルは、車体に設置された電圧変換装置によって直流電力から変換された交流電力を、車体に設置されたモータに給電するために電圧変換装置とモータとを電気的に接続するケーブルと、該ケーブルの長手方向に沿って延設されてケーブル周囲を覆うとともに両端部において車体に対して接地されている導電性のシールド層とを含む車両用電力ケーブルであって、前記シールド層は前記長手方向の途中で分断され、この分断部におけるシールド層分断両端部がインピーダンス手段を介して連結されていることを特徴とする。

本発明に係る車両用電力ケーブルにおいて、前記シールド層の分断部における分断両端部は、前記ケーブルの放射方向に関して重なって配置された重なり部を有し、前記インピーダンス手段が前記分断両端部の重なり部間に挿入されてもよい。
ここで、「インピーダンス手段」は、無限大の電気的抵抗またはインピーダンスを有する絶縁部材も含むものとする。

また、本発明に係る車両用電力ケーブルにおいて、前記インピーダンス手段は電気導線を巻回してなるコイルで構成され、前記コイルがシールド層の分断両端部間を連結してもよい。

また、本発明に係る車両用電力ケーブルにおいて、前記ケーブルは前記交流電力の相数に対応した本数を有し、前記シールド層は全相数分のケーブルを包括して覆っていてもよい。

さらに、本発明に係る車両用駆動装置は、上記本発明に係るいずれかの車両用電力ケーブルと、この車両用ケーブルによって電気的に接続される電力変換装置および走行用モータと、前記電力変換装置に直流電力を供給する蓄電装置とを備える。

本発明に係る車両用電力ケーブルおよび車両用駆動装置によれば、ケーブルの周囲を長手方向の沿って覆うシールド層が前記長手方向の途中で分断され、この分断部におけるシールド層分断両端部がインピーダンス手段を介して連結されていることにより、高周波リアクトル等のインピーダンス部材をシールドケーブルとは別個にインバータ側やモータ側に設けた場合における構成の大型化を抑制することができる。

また、シールド層の分断部における分断両端部が前記ケーブルの放射方向に関して重なって配置される構成とすることで、ケーブルから放射される高周波の電磁波ノイズに対するシールド効果を劣化させることはない。

以下に、本発明に係る実施の形態について添付図面を参照しながら詳細に説明する。この説明において、具体的な形状、材料、数値、方向等は、本発明の理解を容易にするための例示であって、用途、目的、仕様等にあわせて適宜変更することができる。

図１は、本発明の一実施形態である車両用電力ケーブル１０を用いた車両用駆動装置１の概略構成を示す。車両用駆動装置１は、蓄電装置としてのバッテリ１２と、電圧変換装置としてのインバータ１４と、走行用動力出力源としてのモータ１６と、インバータ１４とモータ１６とを電気的に接続する車両用電力ケーブル（以下、単に「電力ケーブル」という）１０とを含む。

車両用駆動装置１は、モータ１６のみを走行用動力源として有する電気自動車に適用されてもよいし、あるいは、ガソリンや軽油等を燃料として走行用または発電モータ用の動力を出力するエンジンをモータ１６と共に有するハイブリッド車に適用されてもよい。

バッテリ１２は、電力を充放電可能なリチウムイオン二次電池やニッケル水素二次電池等で構成される。ただし、化学反応を伴わずに充放電可能なキャパシタなどで蓄電装置が構成されてもよい。

バッテリ１２は、正極母線１８および負極母線２０を介してインバータ１４に電気的に接続されている。正極母線１８と負極母線２０間には、平滑コンデンサ２２が電気的に接続されている。これにより、バッテリ１２から出力される直流電力は、平滑コンデンサ２２を介してインバータ１４に供給されるようになっている。

インバータ１４は、バッテリ１２から供給される直流電力を交流電力に変換する機能を有しており、周知のように複数のスイッチング素子（例えばＩＧＢＴ等）を含んで構成されている。インバータ１４では、図示しない制御部からスイッチング信号を受けて上記スイッチング素子がオン・オフ制御されることにより、直流・交流変換機能を果たすようになっている。

モータ１６には、永久磁石型の三相交流モータが好適に用いられる。電力ケーブル１０は、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の各相用の３本のケーブル２４ｕ，２４ｖ，２４ｗを含んでおり、各ケーブル２４ｕ，２４ｖ，２４ｗの両端部がインバータ１４およびモータ１６の両方の各相端子にそれぞれ接続されている。これにより、インバータ１４から出力された交流電圧が電力ケーブル１０を介してモータ１６に印加または入力されるようになっている。

図２は、電力ケーブル１０を長手方向に沿って切断した断面を示すが、各ケーブル２４ｕ，２４ｖ，２４ｗは側面視状態で示されている。各ケーブル２４ｕ，２４ｖ，２４ｗは、その中心を貫いて延在する例えば銅線からなる芯線２６と、芯線２６の周囲を被覆する例えば樹脂製の絶縁層２８と、ケーブル両端部において芯線２６にそれぞれ接続されインバータ１４の各出力端子部およびモータ１６の入力端子部にねじ止めや差し込み式等の方法によって取り付けられる金属製の取付部３０とを含む。取付部３０およびその近傍は、図示しない金属製のコネクタケースで覆われることでシールドされている。

また、電力ケーブル１０は、前記長手方向に沿って延設されて３本のケーブル２４ｕ，２４ｖ，２４ｗの周囲を包括的に覆っている導電性のシールド層３２を含む。図２においてシールド層３２は、クロスハッチングによって図示されている。シールド層３２は、例えばアルミ線を編んで形成される網組や、シート状金属層で構成される。さらに、電力ケーブル１０において、シールド層３２の外周には、例えば樹脂製の保護部材３４が設けられている。

シールド層３２は、長手方向の両端部において接地線２，３を介して導電性の車体４にそれぞれ接地されている。また、シールド層３２は、上記長手方向の途中で分断された分断部３６を有している。この分断部３６におけるシールド層３２の分断両端部３６ａ，３６ｂは、各ケーブル２４ｕ，２４ｖ，２４ｗの放射方向に関して互いに重なって配置されており、この重なり部３７における各分断両端部３６ａ，３６ｂはその間に例えば円筒状に形成された絶縁部材（インピーダンス手段）３８が挿入された状態で互いに連結されている。図２において、絶縁部材３８は、点描で図示されている。

続いて、図３〜７を参照して上記構成からなる電力ケーブル１０を含む車両用駆動装置１の動作および作用について説明する。図３はモータ１６内のＵ相コイル４０を構成する第１〜第８コイル４１−４８のコイル列を概略的に示す図、図４はＵ相−Ｖ相コイル間電
圧およびＵ相コイル４０における第１コイル４１−第２コイル４２間電圧の測定結果を時間との関係で示すグラフ、図５は分断部を有しないシールド層を含む電力ケーブルを用いた車両用駆動装置におけるコモンモード電流の流れを示す概略図、図６はＵ相コイル４０の第１〜第８コイル４１−４８に分担して印加される電圧測定結果を示すグラフ、図７は本実施形態の車両用駆動装置１におけるコモンモード電流の流れを示す図５と同様の図である。

図３に示すように、モータ１６内のＵ相コイル４０は、図示しない円筒状のステータコアの内側に周方向に沿って配置されて直列接続されている第１〜第８コイル４１−４８で構成されており、第１コイル４１を構成する導線の端部４１ａがモータ１６の入力端子部を介してＵ相ケーブル２４ｕの取付部３０に電気的に接続され、他方、第８コイルを構成する導線の端部４８ａがモータ１６の中性点に接続されている。他のＶ相コイルおよびＷ相コイルもこれと同様に構成されている。

バッテリ１２からの直流電力すなわち直流電圧がインバータ１４におけるスイッチングで交流電圧に変換されてモータ１６に印加されるとき、図４に示すようにその初期段階では各相コイル間電圧、例えばＵ相コイル−Ｖ相コイル間電圧が大きく脈動し、それから次第に所望の電圧値に収束することが測定結果から判明している。このような相間電圧の大きな脈動または変動は、インバータ１４およびモータ１６間を車体４や電力ケーブルのシールド層を介して流れる高周波のコモンモード電流に起因することが判っている。

図５において上記コモンモード電流がＵ相コイル４０を介して還流する様子が太線で示されている。モータ１６に交流電圧が印加されるときのＵ相−Ｖ相コイル間電圧（Ｖ相−Ｗ相間およびＷ相−Ｕ相間についても同様）の立ち上がり時に、高周波のコモンモード電流ＩｃがＵ相コイル４０→Ｕ相コイル４０とステータコア１７間に存在する浮遊容量５０→ステータコア１７→モータケース（図示せず）→車体４、および分断部３６を有しないシールド層→インバータ接地用コンデンサ（またはコモンモードコンデンサ）１５→インバータ１４→ケーブル２４ｕ→Ｕ相コイル４０という経路で、瞬間的（例えば１ナノ秒未満）に流れる。

このようなコモンモード電流がモータ１６のＵ相コイル４０に流れるとき、図６に示すように、Ｕ相コイル４０を構成する第１〜第８コイル４１−４８の電圧分担率は第１コイル４１、第２コイル４２、…の順に大きく、特に第１コイル４１と第２コイル４２との間の電位差が大きくなる。そのため、上記電位差が或る閾値以上に大きくなると部分放電が発生してコイルの絶縁性能が劣化するおそれがある。

ここで、図４において、分断部を有しないシールド層を備える電力ケーブルを用いた場合におけるＵ相コイル４０の第１コイル４１−第２コイル４２間電圧が、実線５２で示されている。この場合、モータ１６からインバータ１４に還流するコモンモード電流Ｉｃは、車体４よりも電気抵抗が小さい経路である電力ケーブルのシールド層を支配的に多く流れることになる。

これに対し、本実施形態の車両用駆動装置１では、図７に示すように、電力ケーブル１０のシールド層３２に分断部３６を設けたことでコモンモード電流Ｉｃの支配的流路が切断されるため、コモンモード電流Ｉｃを低減することができる。これにより、図４において実線５４で示すように、Ｕ相コイル（Ｖ相およびＷ相コイルについても同様）４０の第１コイル４１および第２コイル４２間の電位差を小さくすることができ、モータ１６の各相コイルの絶縁性能を向上させることができる。

また、電力ケーブル１０の長手方向に関してシールド層３２の途中に、絶縁部材３８によって電気的導通が遮断された分断部３６が設けられていることにより、高周波リアクトル等のインピーダンス部材を電力ケーブル１０とは別個にインバータ１４側やモータ１６側に設けた場合における構成の大型化を抑制することができる。

さらに、シールド層３２の分断部３６における分断両端部３６ａ，３６ｂがケーブル２４ｕ，２４ｖ，２４ｗの放射方向に関して重なって配置された重なり部３７を有するため、ケーブル２４ｕ，２４ｖ，２４ｗから放射される高周波の電磁波ノイズに対するシールド効果を劣化させることはない。

続いて、上記電力ケーブル１０に関する変形例について説明する。

上記においては、シールド層３２の分断両端部３６ａ，３６ｂ間に絶縁部材３８を挿入して分断部３６を構成したが、絶縁部材３８に代えて誘電材料からなる薄膜を分断両端部３６ａ，３６ｂで挟持して分断部３６をコンデンサ（インピーダンス手段）として構成してもよい。この場合、コンデンサの容量Ｃは、例えば１ｎＦ以下に設定される。これにより、分断部３６を介してシールド層３２を流れる例えば数Ｍ〜２０ＭＨｚの高周波のコモンモード電流Ｉｃがコンデンサのインピーダンスによって減衰されてコモンモード電流Ｉｃを低減させることができ、その結果、上記と同様の作用効果を得ることができる。

また、電力ケーブル１０の部分拡大断面図である図８に示すように、シールド層３２の分断部３６に絶縁体や誘電体を介在させるのではなく、シールド層３２の分断両端部３６ａ，３６ｂに高抵抗化させるための酸化処理（一点鎖線部で酸化処理範囲を図示）を施して、直に重ねて連結または接続して分断部３６を構成してもよい。ここでの酸化処理としては、シールド層３２がアルミニウム線の編組で構成されている場合、アルマイト処理することが例示される。これにより、シールド層３２を流れるコモンモード電流Ｉｃが高抵抗値を有する分断部３６によって低減され、上記と同様の作用効果を得ることができる。なお、この変形例では、シールド層３２の酸化処理された分断両端部３６ａ，３６ｂ自体がインピーダンス手段を構成する。

さらに、電力ケーブル１０の部分拡大断面図である図９に示すように、シールド層３２の分断両端部３６ａ，３６ｂ間に所定距離を設け、その間に電気導線を螺旋状に巻回してなるコイル（インピーダンス手段）６０を挿入して、上記分断両端部３６ａ，３６ｂを連結または接続してもよい。ここで、コイル６０のインダクタンスＬは、例えば０．０１ｍＨ以上に設定される。また、この変形例ではシールド層３２の分断両端部３６ａ，３６ｂが重なり部を有しないため、コイル６０は完全に隙間無く密着巻きされるか、あるいは、ケーブル２４ｕ，２４ｖ，２４ｗから放射される電磁波ノイズを外部漏洩させない程度の隙間が許容されのみであり、これによりシールド層３２のシールド効果を劣化させることはない。このようにコイル６０で分断両端部３６ａ，３６ｂを連結した変形例によっても、コイル６０を介してシールド層３２を流れる例えば数Ｍ〜２０ＭＨｚの高周波のコモンモード電流Ｉｃがコイル６０のインピーダンスによって減衰されてコモンモード電流Ｉｃを低減させることができ、その結果、上記と同様の作用効果を得ることができる。

本発明の一実施形態である電力ケーブルを用いた車両用駆動装置の概略構成図である。 電力ケーブルの長手方向に沿った断面図である。 モータ内のＵ相コイルを構成する第１〜第８コイルのコイル列を概略的に示す図である。 Ｕ相−Ｖ相コイル間電圧およびＵ相コイルにおける第１コイル−第２コイル間電圧の測定結果を時間との関係で示すグラフである。 分断部を有しない電力ケーブルを用いた車両用駆動装置におけるコモンモード電流の流れを示す概略図である。 Ｕ相コイルの第１〜第８コイルに分担して印加される電圧測定結果を示すグラフである。 図１の車両用駆動装置におけるコモンモード電流の流れを示す図５と同様の図である。 電力ケーブルのシールド層の分断部に関する変形例を示す図である。 電力ケーブルのシールド層の分断部に関する別の変形例を示す図である。

符号の説明

１ 車両用駆動装置、２，３ 接地線、４ 車体、１０ 車両用電力ケーブル、１２ バッテリ、１４ インバータ、１６ モータ、１７ ステータコア、１８ 正極母線、２０ 負極母線、２２ 平滑コンデンサ、２４ｕ Ｕ相ケーブル、２４ｖ Ｖ相ケーブル、２４ｗ Ｗ相ケーブル、２６ 芯線、２８ 絶縁層、３０ 取付部、３２ シールド層、３４ 保護部材、３６ 分断部、３６ａ，３６ｂ 分断両端部、３７ 重なり部、３８ 絶縁部材、４０ Ｕ相コイル、４１−４８ 第１〜第８コイル、５０ 浮遊容量、Ｉｃ コモンモード電流。

Claims (5)

1. 車体に設置された電圧変換装置によって直流電力から変換された交流電力を、車体に設置されたモータに給電するために電圧変換装置とモータとを電気的に接続するケーブルと、該ケーブルの長手方向に沿って延設されてケーブル周囲を覆うとともに両端部において車体に対して接地されている導電性のシールド層とを含む車両用電力ケーブルであって、
   前記シールド層は前記長手方向の途中で分断され、この分断部におけるシールド層分断両端部がインピーダンス手段を介して連結されていることを特徴とする車両用パワーケーブル。
2. 請求項１に記載の車両用電力ケーブルにおいて、
   前記シールド層の分断部における分断両端部は、前記ケーブルの放射方向に関して重なって配置された重なり部を有し、前記インピーダンス手段が前記分断両端部の重なり部間に挿入されていることを特徴とする車両用電力ケーブル。
3. 請求項１に記載の車両用電力ケーブルにおいて、
   前記インピーダンス手段は電気導線を巻回してなるコイルで構成され、前記コイルがシールド層の分断両端部間を連結していることを特徴とする車両用電力ケーブル。
4. 請求項１から３のいずれか１項に記載の車両用電力ケーブルにおいて、
   前記ケーブルは前記交流電力の相数に対応した本数を有し、前記シールド層は全相数分のケーブルを包括して覆っていることを特徴とする車両用電力ケーブル。
5. 請求項１から４のいずれか１項に記載の車両用電力ケーブルと、
   この車両用ケーブルによって電気的に接続される電力変換装置および走行用モータと、
   前記電力変換装置に直流電力を供給する蓄電装置と、を備える車両用駆動装置。

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