JP2014150215A - 冷却装置およびそれを備えるモータ制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】インバータに接続されたコンデンサの温度上昇を抑制し、小型化できる冷却装置およびそれを備えるモータ制御装置を提供する。
【解決手段】コンデンサ１，２は、ハウジングケース１５、バスバー１３、冷却素子１２、コンデンサ素子２１、およびポッティング部１４により構成されている。ハウジングケース１５は、金属または樹脂材料により形成されている。バスバー１３は、熱伝導率の高い金属材料からなり、コンデンサ素子２１本体内部の電極側、および電源ラインＰ１または接地ラインＰ２の配線導体部に接続されている。バスバー１３のハウジングケース１５と対向する側面に設けた凹部２２に冷却素子１２の一方の面が埋設され、他方の面がハウジングケース１５の側面に設けられたガイド部を上部からスライドして挿入され凹部２３に固定されている。
【選択図】図３

Description

本発明は、冷却装置およびそれを備えるモータ制御装置に関するものである。

従来、インバータで変換された交流電流でモータを駆動させて走行する電動車両（例えば、電気自動車やハイブリッド車など）において、大容量の平滑コンデンサが使用され高電圧インバータに接続されている。この平滑コンデンサは、耐熱温度が低く、電流が大きいため自己発熱が大きく、搭載位置がエンジンルーム内の場合、雰囲気温度も高くなる。このためコンデンサの冷却が必要となり、水冷方式など各種冷却方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２０１０−１１９３００号公報

このような平滑コンデンサは、大きな静電容量を得るために、例えば、複数個のコンデンサ素子をバスバーで並列に接続し、ケースに収容しポッティングした構造のモジュールとされている。しかしながら、このコンデンサモジュールの配置や冷却構造において、専用の冷却水系や冷却水を循環させるための電動ポンプなどが必要となり、冷却装置が複雑化、大型化し、高コスト化するとともに、システム全体の効率や信頼性が低下する可能性がある。

本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、その目的は、インバータに接続されたコンデンサの温度上昇を抑制し、小型化できる冷却装置およびそれを備えるモータ制御装置を提供することにある。

上記課題を解決するために、請求項１に記載の冷却装置は、コンデンサを形成するコンデンサ素子と、前記コンデンサ素子を収容する筐体と、前記コンデンサ素子の電極に接続され、外部と電気的に接続するバスバーと、前記筐体内に前記コンデンサ素子および前記バスバーがポッティングされた封止部において、前記筐体と前記バスバーとの間に接着され、前記コンデンサ素子を冷却する冷却素子と、を備え、前記冷却素子は、一方の面が前記バスバーに埋め込まれるとともに、他方の面が前記筐体の内面に嵌着されることを要旨とする。

上記構成によれば、コンデンサ素子の内部電極と外部とを電気的に接続するバスバーと筐体との間に冷却素子を密着させて設置したので、冷却素子の伝熱効果によりコンデンサ素子の発熱を外部に逃がす経路を形成することができる。これにより、コンデンサの発熱を効率よく抑えることができる。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の冷却装置において、前記冷却素子は、前記コンデンサに接続された充放電回路および降圧回路を介して、電流が流されることにより動作することを要旨とする。上記構成によれば、コンデンサからの放電エネルギーや電動モータからの回生エネルギーを用いて冷却素子に直流電流を流し動作させるようにしたので、熱として消費していたエネルギーを利用することにより冷却装置のエネルギー効率を向上させることができる

請求項３に記載の発明は、請求項１または２に記載の冷却装置において、前記冷却素子は、ペルチェ効果を用いて前記コンデンサ素子を冷却する熱電変換素子であることを要旨とする。上記構成によれば、冷却素子としてペルチェ効果を用いて冷却する熱電変換素子を設置したので、効率よくコンデンサの発熱を抑えることができる。

請求項４に記載の発明は、高圧電源と、駆動輪に連結される電動モータと、前記高圧電源からの直流電力を交流電力に変換し、前記電動モータへ出力して前記電動モータを駆動するインバータと、を備え、前記インバータは、請求項１〜３の何れか1項に記載の冷却装置を備えてなることを要旨とする。上記構成によれば、冷却素子を用いた冷却装置を有したコンデンサをモータ制御装置のインバータに設置するようにしたので、インバータを小型化することができ、車両への搭載性を向上させることができるとともに、インバータの冷却効率や車両の燃費も向上させることができる。

本発明によれば、インバータに接続されたコンデンサの温度上昇を抑制し、小型化できる冷却装置およびそれを備えるモータ制御装置を提供できる。

本発明の一実施形態に係る冷却装置を備えるモータ制御装置を搭載する車両の概略構成を示す図。 図１のモータ制御装置の回路構成を示す図。 コンデンサの冷却構造を示す断面図。 冷却素子への電力の流れを示す回路図。 （ａ）は、バスバーへ冷却素子を埋め込む図、（ｂ）は、筐体へ冷却素子を組み込む図。

次に、本発明の実施形態に係る車両に搭載される冷却装置およびそれを備えるモータ制御装置について、図に基づいて説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係る冷却装置を備えるモータ制御装置を搭載する車両の概略構成を示す図である。図１に示すように、車両（例えば、ハイブリッド車）は、高圧バッテリ８と、車両コントロールユニット１７と、後輪駆動ユニット１９と、後輪１８の駆動に用いる電動モータを制御するモータ制御装置１６と、を備える。後輪駆動ユニット１９は、電動モータ１０、減速機（ディファレンシャルギヤ）６、およびクラッチ７により構成されており、クラッチ７を減速機６の最終段に設置している。電動モータ１０として、例えば、３相のブラシレスモータが使用されている。

高圧バッテリ８は、高電圧（例えば、２４５Ｖなど）の直流電源で、例えば、充放電可能なニッケル水素やリチウムイオンなどの二次電池からなり、車両のリアシートの後方に配設されている。モータ制御装置１６は、高圧バッテリ８から受ける直流電圧をモータ駆動回路であるインバータ４の仕様に応じて、電源回路３でさらに高電圧（例えば、５００Ｖなど）に昇圧し、インバータ４に供給する。また、モータ制御装置１６は、電動モータ１０の回生制動時、電動モータ１０が発電した電力を高圧バッテリ８に供給し充電する。モータ制御装置１６は、例えば、リアシート下に搭載されている。

さらに、モータ制御装置１６は、後輪駆動ユニット１９他を制御する制御回路１１を備えている。制御回路１１は、補助電源である低電圧（例えば，１２Ｖなど）の低圧バッテリ９に接続され、車両の駆動を制御する車両コントロールユニット１７からＣＡＮにより指令を受け、クラッチ７を接続状態にして、電動モータ１０が駆動されて発生した駆動力が後輪１８に伝達される。

図２は、図１のモータ制御装置の回路構成を示す図である。図２に示すように、モータ制御装置１６は、高圧バッテリ８の直流電圧を昇圧コンバータ２０により昇圧し、平滑コンデンサ１により安定化させる電源回路３と、制御回路１１と、インバータ４とを含んでいる。昇圧コンバータ２０は、図示しないリアクトル、スイッチング素子（例えば、ＭＯＳＦＥＴなど）、および平滑用コンデンサから構成されている。平滑コンデンサ１は、高圧バッテリ８に接続された昇圧コンバータ２０の出力側の電源ラインＰ１と接地ラインＰ２との間に接続されている。

また、電源回路３には、平滑コンデンサ１の電荷を放電させる放電抵抗および駆動回路（例えば、ＭＯＳＦＥＴなど）と、電動モータ１０（図１参照）の回生制動（減速）時に電力を消費させる回生抵抗およびその駆動回路（例えば、ＭＯＳＦＥＴなど）が含まれている。さらに、インバータ４のパワートランジスタの電源の両端には、パワートランジスタに印加されるサージ電圧を抑制しパワートランジスタを保護するスナバ用としてスナバコンデンサ２が接続されている。ここで、平滑コンデンサ１、またはスナバコンデンサ２として、例えば、高圧大電流対応で大型のフィルムコンデンサなどが使用されている。

インバータ４は、Ｕ相、Ｖ相およびＷ相のアームが電源ラインＰ１と接地ラインＰ２との間に並列に接続されている。そして、各相アームにおける各パワートランジスタの接続点は、電動モータ１０の図示しない各相コイルの中性点と反対側のコイル端にそれぞれ接続されている。パワートランジスタとして、例えば、ＩＧＢＴ、またはパワーＭＯＳＦＥＴなどが使用されている。

図３は、コンデンサの冷却構造を示す断面図である。図３に示すように、コンデンサ１，２は、ハウジングケース（筐体）１５、バスバー１３、冷却素子１２、コンデンサ素子２１、およびポッティング部（封止部）１４により構成されている。ハウジングケース１５は、開口部を有して金属または樹脂材料により箱型、または筒状に形成されている。バスバー１３は、熱伝導率の高い金属材料（例えば、銅など）からなる配線導体（リード線）であり、一端がコンデンサ素子２１本体内部の電極側に接続され、他端が外部の電源ラインＰ１あるいは接地ラインＰ２の配線導体部に接続されている。バスバー１３のハウジングケース１５と対向する側面に設けた凹部２２に冷却素子１２の一方の面が埋設され、他方の面がハウジングケース１５の側面に設けられたガイド部に挿入され固定されている。

ここで、正負両極（陽極および陰極）用の２個のバスバー１３が配設されており、冷却素子１２も同様に２個取り付けられている。冷却素子１２は、ペルチェ効果を利用して物体を冷却する熱電変換素子であって、対向する各面がバスバー１３およびハウジングケース１５の凹部２３に密着している。そして、冷却素子１２は、後述する降圧コンバータ５（図４参照）から出力される電流に比例した熱エネルギー（電力）をコンデンサ素子２１から吸収することによってコンデンサ１，２を冷却する。このとき、急激な充放電の繰り返しやリップル電流（交流成分）によりコンデンサ素子２１本体内部に発生した熱は、バスバー１３を介する経路に加え、破線で示すバスバー１３、冷却素子１２、およびハウジングケース１５を通過する経路を介して放出され、コンデンサ１，２の自己発熱による温度上昇を抑制している。

図４は、冷却素子への電力の流れを示す回路図である。図４に示すように、平滑コンデンサ１に接続された放電抵抗Ｒ１、および電動モータ１０に接続された回生抵抗Ｒ２に降圧コンバータ５の入力端が接続され、降圧コンバータ５の出力端が冷却素子１２の電源端子に接続される。降圧コンバータ５は、冷却素子１２の駆動電源回路であり、例えば、ＭＯＳＦＥＴ−Ｑ１，Ｑ２、ダイオードＤ１、コイルＬ１、およびコンデンサＣ１を含み、ＭＯＳＦＥＴ−Ｑ１またはＱ２のオン時間とオフ時間とに対応して直流電圧を降圧し、コンデンサＣ１に供給する機能を有する。平滑コンデンサ１の放電時、高電圧（例えば、１５０Ｖ）は、降圧コンバータ５のＭＯＳＦＥＴ−Ｑ１をデューティ制御することにより低電圧（例えば、１５Ｖ）に降圧され、冷却素子１２に直流電流が供給される。また、電動モータ１０の回生制動時には、発電電圧（例えば、１００Ｖ）が降圧コンバータ５のＭＯＳＦＥＴ−Ｑ２をデューティ制御することにより同様に低電圧に降圧され、冷却素子１２に直流電流が供給される。このときの電流の流れをそれぞれ破線で示している。これにより、熱として消費されるエネルギーを利用して、冷却素子１２の冷却動作が可能となる。

次に、冷却素子の組付方法を説明する。図５（ａ）は、バスバーへ冷却素子を埋め込む図、（ｂ）は、ハウジングケースへ冷却素子を組み込む図である。図５（ａ）、（ｂ）に示すように、バスバー１３側面に設けられた凹部２２に冷却素子１２の一方の面が当接し埋め込まれる。次に、冷却素子１２は、他方の面がバスバー１３に対向するハウジングケース１５の内面に設けられたガイド部を上部からスライドして挿入され凹部２３に固定される。ここで、冷却素子１２から延出する２本の電流供給線がコンデンサ１，２の外部に取り出される。

次に、上記のように構成された本実施形態であるコンデンサ１，２に適用される冷却装置およびそれを備えるモータ制御装置１６の作用および効果について説明する。

上記構成によれば、平滑コンデンサ１やスナバコンデンサ２などの大型コンデンサを形成するコンデンサ素子２１本体内部の電極と外部回路とを電気的に接続するバスバー１３と、コンデンサ素子２１を収容しバスバー１３と対向するハウジングケース１５との間に、冷却素子１２を密着して埋設させることにより冷却装置を構成している。冷却素子１２はペルチェ効果を利用して物体を冷却する熱電変換素子からなる。上記冷却装置は、冷却素子１２の伝熱効果によりコンデンサ１，２が発生する熱をバスバー１３、冷却素子１２、およびハウジングケース１５を通過させて外部に逃がす経路を形成している。

また、平滑コンデンサ１の放電エネルギーや電動モータ１０の回生エネルギーを用いて冷却素子１２に直流電流を流し電力を供給することにより、冷却素子１２は、冷却動作を行うことができる。そして、冷却素子１２は、降圧コンバータ５からの出力電流に比例してコンデンサ素子２１から熱エネルギーを吸収することによってコンデンサ１，２を冷却する。さらに、冷却素子１２を用いた上記冷却装置を有した平滑コンデンサ１およびスナバコンデンサ２などをモータ制御装置１６のインバータ４に接続して使用することができる。

これにより、コンデンサ素子２１本体内部の発熱は、バスバー１３を経由する経路に加え、冷却素子１２を通過する経路を経由して放出され、耐熱温度の低いコンデンサ１，２のコンデンサ素子２１の発熱を効率よく抑制することができる。その結果、モータ制御装置１６において、インバータ４を小型化することができ、車両への搭載性が向上する。また、ポンプ等を用いて冷却する場合に比べ、熱として消費されるエネルギーを利用して冷却素子１２を動作させるので、インバータ４の冷却効率および車両の燃費も向上させることができる。

以上のように、本発明の実施形態によれば、インバータに接続されたコンデンサの温度上昇を抑制し、小型化できる冷却装置およびそれを備えるモータ制御装置を提供できる。

以上、本発明に係る実施形態について説明したが、本発明はさらに他の形態で実施することも可能である。

上記実施形態では、電源回路３の平滑コンデンサ１やインバータ４のスナバコンデンサ２などの大容量の大型コンデンサに冷却装置を用いた例を示したが、これに限らず、例えば、電源回路３の昇圧コンバータ２０に用いるリアクトルに用いても同様の効果が期待できる。

なお、上記実施形態では。冷却装置を車両駆動用のインバータ４に用いた例を示したが、これに限らず、例えば、電動パワーステアリング装置や電動ブレーキ装置などのインバータ、あるいは、他の車載用電力変換装置に用いてもよい。

上記実施形態では、バスバー１３に凹部２２を設けて冷却素子２１を埋め込むようにしたが、他の固定方法（例えば、ガイドを取り付けなど）により冷却素子１２を設置する部分のバスバー１３の厚みを厚くしてもよい。これにより、熱容量が増大し冷却素子１２の吸熱効率が向上する。また、断面積の増加により抵抗が減少し、バスバー１３からの発熱も抑えることができる。

１：平滑コンデンサ、２：スナバコンデンサ、３：電源回路、４：インバータ、５：降圧コンバータ、６：減速機、７：クラッチ、８：高圧バッテリ、９：低圧バッテリ、１０：電動モータ、１１：制御回路、１２：冷却素子、１３：バスバー、１４：ポッティング部（封止部）、１５：ハウジングケース（筐体）、１６：モータ制御装置、１７：車両コントロールユニット、１８：後輪、１９：後輪駆動ユニット、２０：昇圧コンバータ、
２１：コンデンサ素子、２２，２３：凹部、Ｐ１：電源ライン、Ｐ２：接地ライン、Ｒ１，Ｒ２：抵抗、Ｑ１，Ｑ２：ＭＯＳＦＥＴ、Ｄ１：ダイオード、Ｌ１：コイル、Ｃ１：コンデンサ

Claims (4)

1. コンデンサを形成するコンデンサ素子と、
   前記コンデンサ素子を収容する筐体と、
   前記コンデンサ素子の電極に接続され、外部と電気的に接続するバスバーと、
   前記筐体内に前記コンデンサ素子および前記バスバーがポッティングされた封止部において、前記筐体と前記バスバーとの間に接着され、前記コンデンサ素子を冷却する冷却素子と、を備え、
   前記冷却素子は、一方の面が前記バスバーに埋め込まれるとともに、他方の面が前記筐体の内面に嵌着されることを特徴とする冷却装置。
2. 請求項１に記載の冷却装置において、
   前記冷却素子は、前記コンデンサに接続された充放電回路および降圧回路を介して、電流が流されることにより動作することを特徴とする冷却装置。
3. 請求項１または２に記載の冷却装置において、
   前記冷却素子は、ペルチェ効果を用いて前記コンデンサ素子を冷却する熱電変換素子であることを特徴とする冷却装置。
4. 高圧電源と、
   駆動輪に連結される電動モータと、
   前記高圧電源からの直流電力を交流電力に変換し、前記電動モータへ出力して前記電動モータを駆動するインバータと、を備え、
   前記インバータは、請求項１〜３の何れか1項に記載の冷却装置を備えてなるモータ制御装置。

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