JP2012170177A - 電力制御装置の搭載構造 - Google Patents

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Abstract

【課題】モータと電力制御装置を構成する昇圧コンバータ及びインバータとを１つのケースに収めて一体化する構造において、電力制御装置の冷却性を確保することのできる搭載構造を提供する。
【解決手段】駆動装置１０は、トランスアクスルケース３１の開口部を固定台座２２で覆うことで形成したトランスアクスル室と、固定台座２２とカバー４３で区切られたＰＣＵ室を有している。ＰＣＵ室は、固定台座２２の上に配置されている鋼板製の薄板２３と、薄板２３の上に配置されている冷却器２７と、冷却器２７の上に配置されている制御基板２９と、固定台座２２から制御基板２９までを覆うようにトランスアクスルケース３１に取り付けられた鋼板製のカバー４３と、を有し、薄板２３と冷却器２７とはボルト２６によって固定台座２２に共締めされることで断熱室を構成し、トランスアクスル３０からの熱の伝導を抑制する。
【選択図】図１

Description

本発明は、車両を駆動する回転電機を収容したモータケース上に、回転電機の制御を行う電力制御装置を搭載する電力制御装置の搭載構造に関する。
従来より、モータジェネレータなどの回転電機からの駆動力により車両を駆動する電気自動車、内燃機関であるエンジンと組み合わせたハイブリッド自動車、及び燃料電池により発電した電力により車両を駆動する燃料電池自動車等が知られている。このような車両は、バッテリから電力の供給を受け、モータジェネレータ（以下、モータとも呼ぶ）への電力を制御する昇圧コンバータやインバータ等を有するＰＣＵ（パワーコントロールユニット）を有している。
一般的に、モータを効率良く作動させるためには、高電圧を供給することが必要であり、例えば、約２００Ｖのバッテリ電圧を約６００Ｖまで昇圧する昇圧コンバータを搭載したハイブリッド自動車が知られている。昇圧コンバータは、スイッチング素子と、スイッチング素子に接続したリアクトルと、を含み、リアクトルは、鉄心等の磁性材料を用いたコアと、コアに設けられたコイルと、を有している。また、昇圧コンバータは、スイッチング素子のオン・オフを制御することにより、リアクトルに電力を蓄積・放出させ、バッテリから供給される電圧を昇圧してインバータに供給することが可能となる。この時、リアクトルは電磁エネルギー変換に伴いコアが発熱すると共に、コイルは通電電流のジュール熱により発熱する。放熱が適切でない場合には、リアクトルの温度上昇となり、昇圧コンバータでの電圧変換効率の低下となることから、リアクトルの適切な放熱が必要となる。そこで、リアクトルの放熱に関し、リアクトルにクーリングフィンによる放熱や、冷却液による放熱等の技術がある。
特許文献１には、リアクトルを構成要素とする昇圧コンバータを備えたハイブリッド自動車の駆動装置が開示されている。特許文献１では、インバータ及びモータを１つのケースに収めて一体化する際、リアクトルの放熱を促進させるため、リアクトルを収容した収容室へモータジェネレータの回転によって汲み上げられた潤滑油を流入させ、収容室に蓄えられた潤滑油によりリアクトルを冷却する駆動装置が示されている。
図５は、従来の駆動装置１００を示しており、手前側にモータジェネレータＭＧ２及びリアクトルＬ１の断面と、その奥に配置されたコンデンサＣ２，冷却口１０６，１０７を有する冷却器１０８，パワー素子基板１０９及びデファレンシャルギアが示されている。潤滑油は、モータジェネレータＭＧ２の回転によって矢印Ｆ１，Ｆ２のように汲み上げられ、収容室開口部３４０を通過した潤滑油がリアクトル収容室３００に流入することになる。流入した潤滑油はリアクトルＬ１を冷却し、Ｆ３のようにオイル抜き孔３２０から開口部１０２へ排出される。このような構成により、リアクトルＬ１の冷却性を確保することが可能となる。
特開２００８−７２８１３号公報
上述したように、モータジェネレータＭＧ１，ＭＧ２と、これらのモータを駆動するための昇圧コンバータと、インバータとを一体化収容する場合において、リアクトルＬ１を潤滑油で冷却する技術では、潤滑油の温度はモータケースやエンジンケースを冷却する冷却水によって温度調整がなされるため、通常運転状態であれば水温と油温とはほぼ同じ温度（例えば、約８５度〜約９０度）になる。一方、重負荷運転状態ではエンジンやモータジェネレータの急激な発熱により油温が水温より高くなり、リアクトルの冷却性だけでなく、リアクトルの近傍に配置されている昇圧コンバータやインバータへの熱の伝導が懸念される。
昇圧コンバータやインバータ等は、パワー素子基板を有し、パワー素子基板は冷却器１０８の水温により温度調節が行われている。水温は、大きなラジエータ及びファンによって常時温度調整がなされているものの、重負荷状態において、冷却器１０８の能力を超える熱が冷却器１０８に伝わる場合、パワー素子の温度上昇に伴う出力制限制御により、車両の走行性能が低下する場合がある。
特に、上述したような、モータと電力制御装置を構成する昇圧コンバータやインバータとを１つのケースに収めて一体化する場合、ケースからの熱伝導、電力制御装置を覆うアルミダイキャストのカバーからの熱伝導及びカバー内部の空気の対流熱により電力制御装置の温度が上昇することになる。
そこで、本発明に係る電力制御装置の搭載構造は、モータと電力制御装置を構成する昇圧コンバータ及びインバータとを１つのケースに収めて一体化する構造において、電力制御装置の冷却性を確保することのできる搭載構造を提供することを目的とする。
以上のような目的を達成するために、本発明に係る電力制御装置の搭載構造は、車両を駆動する回転電機を収容したモータケース上に、回転電機の制御を行う電力制御装置を搭載する電力制御装置の搭載構造において、電力制御装置は、樹脂によって形成された固定台座と、固定台座の上に配置されパワーモジュールを有する冷却器と、冷却器の上に配置された制御基板と、を少なくとも備え、モータケースから電力制御装置への熱の伝導を固定台座によって抑制することを特徴とする。このような構成により、モータケースからの熱の伝導を抑制することが可能になり、パワーモジュールの温度上昇に伴う出力低下を防止することが可能となる。
また、本発明に係る電力制御装置の搭載構造において、電力制御装置は、電力制御装置の底面を覆う固定台座を介してモータケース内部の回転電機に接続されていること特徴とする。
また、本発明に係る電力制御装置の搭載構造において、固定台座は、回転電機と電力制御装置とをバスバーにて接続する端子台を有することを特徴とする。この様な構成にすることで、バスバーによる放熱効果が期待できる。
また、本発明に係る電力制御装置の搭載構造において、固定台座は、冷却器と固定台座との熱の伝導を抑制する金属製の薄板と、冷却器と薄板と固定台座とを共締めにより固定する固定手段と、を有し、薄板は、冷却器と薄板とにより囲まれた空間を形成し、薄板は冷却器によって冷却されることを特徴とする。このような構成にすることにより、冷却器と薄板の空間を有効利用することができると共に、固定台座と薄板との間の空間を断熱室としても利用することで、熱せられた空気による対流加熱を防止することが可能となる。
また、本発明に係る電力制御装置の搭載構造において、冷却器と薄板とにより囲まれた空間に、電子機器を配置することを特徴とする。このような構成にすることで、冷却器により電子機器を効率的に冷却することが可能となる。
また、本発明に係る電力制御装置の搭載構造において、さらに、電力制御装置は、金属製の薄板で形成された電力制御装置全体を覆うカバーを有し、カバーは、固定台座の周囲を取り囲むように設けられたモータケースの台座に取り付けられることで、モータケースから電力制御装置への熱の伝導をカバーによって抑制することを特徴とする。
本発明に係る電力制御装置の搭載構造を用いることにより、モータと電力制御装置を構成する昇圧コンバータ及びインバータとを１つのケースに収めて一体化する構造において、ケースからの熱伝導、電力制御装置を覆うカバーからの熱伝導及びカバー内部の空気の対流熱を抑制することで電力制御装置の温度上昇を防止し、電力制御装置の冷却性を確保することができるという効果がある。
本発明に係る電力制御装置の搭載構造を有する駆動装置の構造図である。 本発明に係る電力制御装置を搭載する駆動装置の概要図である。 本発明に係る電力制御装置を搭載する駆動装置における各収容室を説明する説明図である。 図３に示した各収容室の温度概要を示す温度グラフ図である。 従来の駆動装置の概要を示す概要図である。
以下、本発明を実施するための最良の形態（以下実施形態という）を、図面に従って説明する。
図１は、電力制御装置（ＰＣＵ）の搭載構造を有する駆動装置１０を示し、図２は図１に示した駆動装置１０の正面図と上面図を示している。なお、図２の上側には駆動装置１０の上面図と、上面図の下側にはＧ−Ｇ断面の正面図と、を示している。最初に、図２を用いて駆動装置１０の全体構成を概説する。
図２の駆動装置１０は、エンジンに動力分配装置を介して接続されたモータジェネレータＭＧ１，ＭＧ２を有するトランスアクスル３０と、トランスアクスルケース３１の開口部を覆うように配置された樹脂製の固定台座２２と、固定台座２２の上に配置された鋼板製の薄板２３と、薄板２３の上に配置された冷却器２７と、冷却器２７の上に配置された平滑コンデンサ２８と、平滑コンデンサ２８の上に配置された制御基板２９と、これらを覆う鋼板製のカバー４３と、を有している。冷却器２７は、上面の樹脂製部品と、下面のアルミ製部品と、内部にフィンが形成され、上面の樹脂製部品に取付けられた熱伝導が良い熱伝導ベース１２と、を有し、冷却器２７の下面にはＤＣ／ＤＣコンバータ２５及びフィルタ用コンデンサ２４が配置されると共に、冷却器２７の上面には熱伝導ベース１２を介してパワー素子１３が配置されている。また、制御基板２９の上面には外部コネクタ４２が設けられている。カバー４３はトランスアクスル３１のフランジ部にボルトによって取り付けられ、冷却器２７の冷却管１７とカバー４３との隙間にはゴムリング５２が設けられている。また、固定台座２２の下面にはリアクトル３８が配置され、トランスアクスルケース３１内に収容されたモータジェネレータＭＧ１，ＭＧ２のロータ３４，３５の回転によって飛散する潤滑油によってリアクトル３８が冷却されている。
図２の固定台座２２は端子台２１を有し、モータジェネレータＭＧ１，ＭＧ２のステータコイル端子３２ａ，３３ａから伸びるバスバー４４は、端子台２１を介して冷却器２７に固定されている複数のパワー素子１３に分岐を伴って接続されている。このため、パワー素子１３から放出される熱の一部がバスバー４４を介してＰＣＵケース内に放熱されることになる。また、固定台座２２はトランスアクスルケース３１に面シール５１を介して接続され、固定台座２２によってトランスアクスル３０を密閉している。このような構成を有することにより、本実施形態に係るＰＣＵ２０は、モータジェネレータＭＧ１，ＭＧ２と接続するワイヤーハーネスの代わりに、端子台２１を介して接続されたバスバー４４により接続されることで、部品点数の削減を行っている。さらに、トランスアクスル３０とＰＣＵ２０を仕切る固定台座２２をアルミニウム製のトランスアクスルケース３１より熱伝導の低い樹脂で形成することにより、トランスアクスル３０からＰＣＵ２０への熱伝導を抑制することが可能となっている。次に、図２の上面図のＨ−Ｈ断面を示す図１の駆動装置１０について述べる。
図１は、Ｈ−Ｈ断面における駆動装置１０の正面図を示し、図１を用いて本発明に係る電力制御装置（ＰＣＵ）の搭載構造について詳説する。なお、すでに説明した部位については重複説明を避けるために省略する。図１の駆動装置１０は、開口部を有するトランスアクスルケース３１を固定台座２２で覆うことで形成したトランスアクスル室と、固定台座２２とカバー４３で区切られたＰＣＵ室を有している。トランクアクスル室には、モータジェネレータＭＧ１，ＭＧ２を構成するステータ３２，３３と、ステータ内部に配置され、シャフト３６，３７を中心にして回転するロータ３４，３５と、固定台座２２の下面に配置されたリアクトル３８と、が配置されている。
また、ＰＣＵ室は、固定台座２２の上に配置されている鋼板製の薄板２３と、薄板２３の上に配置されている冷却器２７と、冷却器２７の上に配置されている平滑コンデンサ２８及び制御基板２９と、固定台座２２から制御基板２９までを覆うようにトランスアクスルケース３１に取り付けられた鋼板製のカバー４３と、を有し、薄板２３と冷却器２７とはボルト２６によって固定台座２２に共締めされることで断熱室を構成し、トランスアクスル３０からの熱の伝導を抑制する。さらに、トランスアクスルケース３１に取り付けられている鋼板製のカバー４３は、アルミニウムの壁面と比べて板厚が薄く熱伝導率が低い為、トランスアクスル３０からの熱の伝導を抑制する。次に、冷却手段について述べる。
図１の駆動装置１０は、２つの冷却手段を有している。第１の冷却手段は、冷却器２７によるパワー素子１３、ＤＣ／ＤＣコンバータ２５、フィルタ用コンデンサ２４、平滑コンデンサ２８及び制御基板２９の冷却であり、第２の冷却手段は、モータジェネレータＭＧ１，ＭＧ２がシャフト３６，３７を中心にしてロータ３４，３５が回転することにより飛散する潤滑油によるリアクトル３８の冷却である。一般の車両では、オイルクーラを装着していないことから、潤滑油の冷却はオイルパンによる放熱と、エンジンを冷却する冷却水によって冷却されることになる。このため、重負荷運転状態では、潤滑油の油温が冷却水の水温より高くなる場合がある。
図３は、電力制御装置を搭載する駆動装置における各収容室（Ａ室〜Ｄ室，Ｅ：エンジンコンパートメント室）と熱量（Ｈ１〜Ｈ５）を示し、図４は図３に示した各収容室の温度の概要を示す温度グラフ図であり、特に、重負荷運転状態において冷却水の水温より潤滑油の油温が高い場合における熱の伝導について詳説する。なお、熱量＝比熱＊密度＊体積＊温度差を表し、比熱（J／(kg・K)）は単位質量（１ｋｇ）の物体を単位温度（１K）上昇させるに必要な熱量である。なお、熱の伝導には、熱伝導率（W／(ｍ・K)＝J／(ｓ・ｍ・K)）：１ｓ間に１ｍ後流へ，１K伝えるための熱量を意味する値および、または、熱伝達率（W／(ｍ^2・K)＝J／(ｓ・ｍ^2・K)）：１ｓ間に１ｍ^2の面積から，１K伝えるための熱量を意味する値などを用いて説明することになるが、説明の都合により熱量を用い、図３における電力制御装置の各機器は省略している。
重負荷運転状態では、図３のトランスアクスル３０側の温度がＰＣＵ２０側における冷却水の水温に比べて高温となる。具体的には、図３のトランスアクスルケース内のＡ室内における潤滑油の飛散によって第１の熱量Ｈ１が固定台座２２に加わることになる。例えば、固定台座２２はインサート成形によりバスバーを内部に有する熱硬化性樹脂（例えば、フェノール樹脂比熱＝１．５７〜１．７６ｊ／ｇ・Ｋ）で形成されているため、アルミニウムの隔壁に比べて比熱が大きく（アルミニウム比熱＝０．９ｊ／ｇ・Ｋ）、また、熱伝導率が小さい。このため、図４の温度グラフでは第１の熱量Ｈ１が固定台座２２を通過すると第２の熱量Ｈ３になる。また、図３のＡ室の隔壁を伝わった第３の熱量Ｈ２はＰＣＵ３０を覆うカバー４３に到達するものの、Ｄ室の気流により空冷されることになり、カバー４３の温度は図４の右側に示すようにトランスアクスルケースの温度に比べて十分低い温度になる。
図３の薄板２３の端部は、冷却器２７の端部と共締めされていることから薄板２３から冷却器２７への熱の伝導が起こり、図４の固定台座２２と薄板２３とで形成されるＢ室を介した第３の熱量Ｈ３は低いものになる。さらに、図３の薄板２３と冷却器ベース１１とで形成されるＣ室に伝わる第４の熱量Ｈ４は、冷却器２７の近傍であることから、対流熱による熱伝導ではあるが、ほとんど水温に近い温度となる。同様に、図３のカバー４３と熱伝導ベース１２とで形成されるＤ室に伝わる第５の熱量Ｈ５も対流熱による熱伝導となるが、冷却器２７の近傍であることからほとんど水温に近い温度となり、パワー素子の放熱が行われることになる。
以上、上述したように、本発明に係る電力制御装置（ＰＣＵ）の搭載構造を用いることにより、モータと電力制御装置を構成する昇圧コンバータ及びインバータとを１つのケースに収めて一体化する構造において、固定台座２２と薄板２３により形成されるＢ室及び、トランスアクスルケース３１とカバー４３により形成されるＥ：エンジンコンパートメント室では伝熱を防止することが可能となり、さらに、冷却器２７の両隣で形成されるＣ室とＤ室では対流熱の防止が可能となる。このような機能により、電力制御装置の温度上昇を防止し、電力制御装置の冷却性を確保することが可能となる。また、薄板２３は、ＤＣ／ＤＣコンバータ２５やフィルタ用コンデンサ２４の覆いとしても機能するため、異物に対しても有効な構造となる。
なお、本実施形態では、固定台座２２をフェノール樹脂で製作して実施をしたが、これに限定するものではなく、インサート成形が可能であり、耐熱、耐油特性を有するものであれば良いことはいうまでもない。
１０ 駆動装置、１１ 冷却器ベース、１２ 熱伝導ベース、１３ パワー素子、１７ 冷却管、２０ ＰＣＵ、２１ 端子台、２２ 固定台座、２３ 薄板、２４，Ｃ２ フィルタ用コンデンサ、２５ ＤＣ／ＤＣコンバータ、２６ ボルト、２７ 冷却器、２８ 平滑コンデンサ、２９ 制御基板、３０ トランスアクスル、３１ トランスアクスルケース、３２，３３ ステータ、３２ａ，３３ａ ステータコイル端子、３４，３５ ロータ、３６，３７ シャフト、３８，Ｌ１ リアクトル、４１ 内部コネクタ、４２ 外部コネクタ、４３ カバー、４４ バスバー、５１ 面シール、５２ ゴムリング、１００ 駆動装置、１０２ 開口部、１０６，１０７ 冷却口、１０８ 冷却器、１０９ パワー素子基板、３００ リアクトル収容室、３２０ オイル抜き孔、３４０ 収容室開口部、ＭＧ１，ＭＧ２ モータジェネレータ。

Claims (6)

  1. 車両を駆動する回転電機を収容したモータケース上に、回転電機の制御を行う電力制御装置を搭載する電力制御装置の搭載構造において、
    電力制御装置は、樹脂によって形成された固定台座と、固定台座の上に配置されパワーモジュールを有する冷却器と、冷却器の上に配置された制御基板と、を少なくとも備え、
    モータケースから電力制御装置への熱の伝導を固定台座によって抑制することを特徴とする電力制御装置の搭載構造。
  2. 請求項１に記載の電力制御装置の搭載構造において、
    電力制御装置は、電力制御装置の底面を覆う固定台座を介してモータケース内部の回転電機に接続されていること特徴とする電力制御装置の搭載構造。
  3. 請求項２に記載の電力制御装置の搭載構造において、
    固定台座は、回転電機と電力制御装置とをバスバーにて接続する端子台を有することを特徴とする電力制御装置の搭載構造。
  4. 請求項２に記載の電力制御装置の搭載構造において、
    固定台座は、
    冷却器と固定台座との熱の伝導を抑制する金属製の薄板と、
    冷却器と薄板と固定台座とを共締めにより固定する固定手段と、
    を有し、
    薄板は、冷却器と薄板とにより囲まれた空間を形成し、薄板は冷却器によって冷却されることを特徴とする電力制御装置の搭載構造。
  5. 請求項４に記載の電力制御装置の搭載構造において、
    冷却器と薄板とにより囲まれた空間に、電子機器を配置することを特徴とする電力制御装置の搭載構造。
  6. 請求項２に記載の電力制御装置の搭載構造において、
    さらに、電力制御装置は、金属製の薄板で形成された電力制御装置全体を覆うカバーを有し、
    カバーは、固定台座の周囲を取り囲むように設けられたモータケースの台座に取り付けられることで、モータケースから電力制御装置への熱の伝導をカバーによって抑制することを特徴とする電力制御装置の搭載構造。
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