JP5621882B2 - 電源装置 - Google Patents

Description

本発明は、発熱素子が実装される回路基板を備える電源装置に関する。

車両に搭載されて車両を走行させるモータを駆動する電源装置は、大電流で充放電されて発熱する。また、ハイブリッドカーにあっては、エンジンや回生制動で充電されて発熱する。発熱は電池の電気性能を低下させる原因となるので、発熱する電池を冷却するために冷却風を送風して冷却している。また、この電源装置は、電池の充放電を制御し、また、安全性を向上するために電装部品を実装する。電装部品として、電池と直列にコンタクタが接続される。コンタクタは、車両のイグニッションスイッチをオフに切り換える状態でオフ状態に切り換えられて、電池の出力を遮断する。また、コンタクタは、イグニッションスイッチをオンに切り換えて、車両を走行させる状態でオンに切り換えられる。オン状態のコンタクタは、電池に流れる大きな充放電電流が流れる。電池の充放電電流は、コンタクタの接触抵抗によってジュール熱を発生させる。さらに大電流を遮断するコンタクタは接点の接触圧も高く、励磁コイルの電流も大きくなって励磁コイルのジュール熱による発熱もある。したがって、オン状態のコンタクタは、接点の電流や励磁コイルのジュール熱による発熱で温度が上昇する。温度が上昇したコンタクタは、周囲の電子部品やプリント基板などに熱障害を与えるおそれがある。また、電装ケースには電流で発熱する抵抗器や半導体等の他の発熱部品も実装される。これらの電装部品の発熱による弊害を防止するために、電池と電装部品の両方に強制送風して冷却する電源装置が開発されている。（特許文献１参照）

特開２００８−１６１８９号公報

特許文献１に記載される電源装置を図１に示す。この電源装置は、電池９１を冷却する冷却風で電装部品９３を冷却する。この構造は、電池９１と電装部品９３を共通の冷却ファン９７で冷却できる。このため、電池９１と電装部品９３を冷却するために別々の冷却ファンを設ける必要がなく、冷却機構を簡単にできる。ただ、この構造の電源装置は、電池９１を冷却する冷却風で電装ケース９４の発熱部品を冷却するために、電池ケース９２の隣に電装ケース９４を配置することから、電装ケース９４に収納される発熱部品の発熱が電池９１に影響を与える。

本発明は、以上の欠点を解決することを目的に開発されたものである。本発明の重要な目的は、電装ケースに収納している発熱部品などの電装部品を冷却できる電源装置を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明のある態様の電源装置は、複数の電池と、発熱素子を含む発熱部品と、発熱素子が実装される回路基板と、回路基板を収納する電装ケースと、を備える。この電装ケースは、開口を有すると共に、回路基板が固定される金属ケースと、金属ケースの開口を閉塞する樹脂ケースとを含み、金属ケースは、放熱フィンを有し、発熱素子は、回路基板を介して前記金属ケースに熱結合される。

本発明によれば、回路基板に実装される発熱素子を冷却すると共に、電装ケースを強靭な構造としながら、軽量化することができる。

従来の車両用の電源装置の断面図である。 本発明の一実施例にかかる車両用の電源装置の斜視図である。 図２に示す車両用の電源装置の垂直縦断面図である 図３に示す車両用の電源装置の電装ケース部分の拡大断面図である。 図４に示す車両用の電源装置の平面図である。 図２に示す車両用の電源装置の電池ケースと電装ケースの連結構造を示す拡大断面図である。 本発明の一実施例にかかる車両用の電源装置のブロック図である。

以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明する。ただし、以下に示す実施例は、本発明の技術思想を具体化するための車両用の電源装置を例示するものであって、本発明は車両用の電源装置を以下のものに特定しない。

さらに、この明細書は、特許請求の範囲を理解しやすいように、実施例に示される部材に対応する番号を、「特許請求の範囲」および「課題を解決するための手段の欄」に示される部材に付記している。ただ、特許請求の範囲に示される部材を、実施例の部材に特定するものでは決してない。

図２ないし図７に示す車両用の電源装置は、複数の電池１を収納している電池ケース２と、発熱部品３を含む電装部品を収納している電装ケース４と、電池ケース２内の電池１の表面に冷却用の気体を送風して電池１を冷却する流入側のダクト５と、電池１の表面を通過して電池１を冷却した冷却風を排気する排出側のダクト６と、流入側のダクト５から電池１の表面を通過して排出側のダクト６に冷却風を強制送風する送風ファン７とを備える。

電池ケース２に収納している電池１は、内部に強制送風される冷却風で冷却される。電装ケース４は、内部に冷却風を送風しない閉鎖構造であって、表面に露出するように放熱部８を設けている。電装ケース４は、防水構造に密閉された密閉ケースで、表面に設けた放熱部８で内部の熱を放熱する。

放熱部８は、電装ケース４に収納しているコンタクタなどの発熱部品３を放熱して冷却する。図３と図４の電装ケース４は、放熱部８をケースの一部に併用している。この電装ケース４は、放熱部８とする部分をアルミニウムで成形し、あるいは全体をアルミニウムで成形して熱伝導を良くしている。図３と図４の電装ケース４は、上下に分割している。この電装ケース４は、放熱部８に併用される放熱ケース４Ａと、この放熱ケース４Ａの開口部を閉塞するカバーケース４Ｂとからなる。この電装ケース４は、放熱ケース４Ａの開口部をカバーケース４Ｂで水密構造に閉塞して密閉ケースとしている。放熱部８に併用される放熱ケース４Ａはアルミニウムなどの金属製で、表面の放熱フィン９を設けている。図３と図４の電装ケース４は、上下に分割して下側のケースを放熱ケース４Ａとして、上側のケースをカバーケース４Ｂとしている。ケースを上下に分割して下のケースを金属製の放熱ケース４Ａとする電装ケース４は、強靱な金属ケースである放熱ケース４Ａに電装部品を固定して、上方の開口部をプラスチック製のカバーケース４Ｂで閉塞することができる。この構造の電装ケース４は、重い電装部品を放熱ケース４Ａに連結して、強靱な構造としながら、カバーケース４Ｂをプラスチックケースとして軽くできる。

図３と図４の電装ケース４は、下のケースを放熱ケース４Ａとしているが、上のケースを放熱ケースとして下のケースをカバーケースとすることもできる。また、電装ケースは、ケース全体を放熱ケースとして、ケースの全面から広い面積で放熱することもできる。

さらに、図４の電装ケース４は、放熱部８に併用される放熱ケース４Ａの表面に放熱フィン９を設けている。放熱フィン９は平行な凸条で、表面積を大きくしてより放熱面積を広くしている。平行な放熱フィン９は、空気の流れでスムーズに空気を流動できるように、側面に設けるものにあっては、上下に伸びるように設けられる。放熱フィン９は放熱部８の冷却効率を向上することに加えて、補強リブとなって放熱ケース４Ａを補強する。図４の放熱ケース４Ａは、底面に放熱フィン９を設けて底面の強度を向上して、重い電装部品を収納できる構造としている。

電装ケース４は、コンタクタやプリチャージ抵抗などの発熱部品３を、放熱部８である放熱ケース４Ａに熱結合するように配置する。放熱部８と発熱部品３との熱結合は、発熱部品３を放熱部８の内面に接触するように配置し、あるいは発熱部品３と放熱部８との間に熱伝導ペーストなどを充填して実現する。コンタクタやプリチャージ抵抗は発熱量が大きいので、放熱部８に熱結合状態で配置して、温度上昇を少なくできる。コンタクタやプリチャージ抵抗以外の発熱部品、たとえばパワートランジスタやＭＯＳＦＥＴ等の発熱素子は、コンタクタやプリチャージ抵抗に比較して発熱量が少ない。したがって、これらの発熱部品は、それ自体に放熱フィンを固定して、電装ケース４の内部に放熱し、あるいはこれらを回路基板１７に固定して、回路基板１７を介して電装ケース４の放熱部８に熱結合して放熱することができる。

電池１と直列に接続しているコンタクタと、電池１と直列に接続されるプリチャージ抵抗は発熱量の大きい発熱部品３である。車両用の電源装置のブロック図を図７に示す。この図に示すように、車両用の電源装置は、電池１の出力側にコンタクタ１０とプリチャージ回路１１を接続している。コンタクタ１０は、車両を走行させる状態、すなわち車両のメインスイッチであるイグニッションスイッチがオンに切り換えられる状態でオンに切り換えられる。コンタクタ１０は、励磁コイル（図示せず）に通電して接点をオンに切り換えるリレーである。コンタクタ１０は、大電流のリレーであるから、オン状態で励磁コイルに流れる電流で発熱し、また接点を流れる大電流によっても発熱する。コンタクタ１０の熱エネルギーは、放熱部８に伝導されて放熱される。コンタクタ１０は、車両の走行を停止する状態、すなわちイグニッションスイッチをオフに切り換える状態でオフに切り換えられる。

プリチャージ回路１１は、プラス側のコンタクタ１０Ａをオンに切り換える前に、負荷であるＤＣ／ＡＣインバータ１４と並列に接続している大容量のコンデンサー１５をプリチャージする。コンデンサー１５をプリチャージしないでコンタクタ１０をオンに切り換えると、コンタクタ１０の接点にコンデンサー１５の過大なチャージ電流が流れて接点を損傷するからである。プリチャージ回路１１は、コンデンサー１５のプリチャージ電流を減少するために、プリチャージ抵抗１３とプリチャージリレー１２とを直列に接続した回路である。マイナス側のコンタクタ１０Ｂとプリチャージリレー１２をオンにしてコンデンサー１５はプリチャージされる。プリチャージするときのプリチャージ電流は、プリチャージ抵抗１３で小さく制限される。プリチャージ電流は、プリチャージ抵抗１３の電気抵抗に反比例して小さくなる。したがって、プリチャージ抵抗１３は、プリチャージ電流を小さく制限してコンデンサー１５をプリチャージする。プリチャージ電流はプリチャージ抵抗１３をジュール熱で発熱させる。プリチャージ抵抗１３のジュール熱による発熱は、電流の二乗と電気抵抗の積に比例する。プリチャージ電流は大きく、プリチャージ抵抗１３はコンデンサー１５をプリチャージするプリチャージ電流で発熱する。プリチャージ
回路１１でコンデンサー１５をプリチャージした後、プラス側のコンタクタ１０Ａはオンに切り換えてプリチャージリレー１２をオフに切り換える。

電装ケース４は、電池１の電圧や電流を検出して電池１の充放電を制御する制御回路１６も内蔵している。制御回路１６を実現する電子部品は、コンタクタ１０やプリチャージ抵抗１３に比較して電流が少なく発熱量が少ない。したがって、これらの電子部品は、回路基板１７に固定されて、回路基板１７を介して放熱ケース４Ａに連結されて、放熱ケース４Ａから放熱する。

図に示す電源装置は、電池ケース２を金属ケースとして、細長い電池ケース２の一端に電装ケース４を固定している。図の電源装置は、電池ケース２と電装ケース４との間に断熱空気隙間１９を設けている。この断熱空気隙間１９は、電装ケース４と電池ケース２とを断熱する。断熱空気隙間１９は、電池ケース２と電装ケース４の垂直壁２７の間にあって上下に伸びるように設けられる。さらに、断熱空気隙間１９は、電池ケース２の上下を電装ケース４に連結することなく、上下を開口している。この断熱空気隙間１９は、電装ケース４や電池ケース２で加温された空気を煙突のようにスムーズに上昇させて電装ケース４と電池ケース２とを効率よく冷却する。断熱空気隙間１９で加温された空気が軽くなって上昇するからである。煙突作用の冷却は、断熱空気隙間１９の間隔（ｄ）が狭すぎても、反対に広すぎても少なくなる。断熱空気隙間１９の隙間（ｄ）が狭すぎると、空気が流れる抵抗が大きくなる。したがって、断熱空気隙間１９の隙間（ｄ）は、好ましくは２ｍｍよりも広く、さらに好ましくは３ｍｍより広くする。反対に断熱空気隙間１９が広すぎると、断熱空気隙間１９の空気が一体となって上昇しなくなる、すなわち、電装ケース４と電池ケース２の表面部分の空気のみが上昇して、その中間の空気が上昇しなくなる。したがって、断熱空気隙間１９の間隔（ｄ）は、好ましくは３０ｍｍよりも狭く、さらに好ましくは２５ｍｍよりも狭くする。

さらに、図３と図４の電池ケース２は、断熱空気隙間１９に突出して、垂直壁２７の表面に放熱フィン２９を設けている。放熱フィン２９は、互いに平行な複数の板状の凸条で、上下に伸びるように設けられる。放熱フィン２９は、電池１で加温される垂直壁２７の熱で断熱空気隙間１９の空気を加温して上昇させる。したがって、断熱空気隙間１９に上下に伸びる放熱フィン２９を設ける構造は、断熱空気隙間１９の空気をよりスムーズに上昇させて、電池ケース２を効果的に冷却する。図３と図４は、断熱空気隙間１９に配設される放熱フィン２９を電池ケース２に固定するが、この放熱フィンを電装ケースの垂直壁に固定することもできる。

断熱空気隙間１９を設けて電装ケース４を電池ケース２に連結するために、図４ないし図６の電源装置は、電池ケース２の表面に、電装ケース４に向かって突出する連結ボス２８を設けている。連結ボス２８は、電池ケース２の垂直壁２７に一体構造に設けている。連結ボス２８の中心に雌ネジ孔２８Ａを設けている。電装ケース４を貫通する止ネジ３０がこの連結ボス２８にねじ込まれて、電装ケース４は電池ケース２に固定される。この連結構造は、電池ケース２を薄くしながら、電装ケース４を強固にしっかりと固定できる特徴がある。それは、止ネジ３０を連結ボス２８に深くねじ込んで固定できるからである。言い換えると、止ネジ３０の多数のネジ山を連結ボス２８にねじ込んで固定できるからである。また、この連結構造は、電装ケース４と電池ケース２を効果的に断熱できる特徴もある。それは、断熱空気隙間１９で断熱することに加えて、止ネジ３０を連結ボス２８にねじ込んで固定する構造によって、電装ケース４と電池ケース２とを局部的に連結するからである。さらに、この連結構造は、電池ケース２に設けている連結ボス２８の長さで、断熱空気隙間１９の間隔（ｄ）を最適値に調整できる。

図５の電池ケース２は、垂直壁２７の両側部の２箇所に連結ボス２８を設けており、こ
れらの連結ボス２８の間に上下に延びる断熱空気隙間１９を設けている。電装ケース４は、電池ケース２の両側に設けた連結ボス２８にネジ止めされて、位置ずれしないように電池ケース２に固定している。図の連結構造は、電池ケース２に連結ボス２８を設けているが、反対に電装ケースに連結ボスを設けて、電池ケースを貫通する止ネジを連結ボスにねじ込んで、電装ケースを電池ケースに固定することもできる。また、図示しないが、電装ケースと電池ケースとの間に筒状のスペーサを挟み、このスペーサに挿通するように、電装ケースを貫通する止ネジを電池ケースにねじ込んで固定することもできる。

図３に示す電源装置は、電池ケース２の内部にホルダーケース２０を配置して、電池ケース２とホルダーケース２０との間に流入側のダクト５と排出側のダクト６を設けている。図のホルダーケース２０は、３個の電池１を上下方向に並べる状態で、多数の電池１を収納している。ホルダーケース２０は、収納している電池１に強制送風して冷却する冷却風の流入口２１と排出口２２を開口している。図の電池ケース２は、ホルダーケース２０の上部に流入口２１を、下部に排出口２２を開口している。

ホルダーケース２０は、電池１を電池モジュールの状態で収納している。電池モジュールは、複数の素電池を直列に接続して直線状に連結したものである。素電池は、ニッケル水素電池やリチウムイオン二次電池などの充電できる電池である。図の電池モジュールは、円筒型電池を直線状に連結して円柱状としている。ホルダーケース２０に収納している複数の電池モジュールは、互いに直列に接続される。ただ、ホルダーケースの電池モジュールは、直列と並列に接続することもできる。

図３の電源装置は、電池ケース２と、ホルダーケース２０との間に、各々のホルダーケース２０に冷却風を供給する流入側のダクト５と、ホルダーケース２０内を通過した冷却風を排気する排出側のダクト６を設けている。さらに、電源装置は、流入側のダクト５から電池ケース２を通過して排出側のダクト６に冷却風を強制送風する冷却ファン７を備えている。図３の電源装置は、流入側のダクト５に冷却ファン７を連結している。この冷却ファン７は、流入側のダクト５に冷却風を強制的に送風する。

図３の電源装置は、ホルダーケース２０の上方に流入側のダクト５を設け、ホルダーケース２０の下方に排出側のダクト６を設けている。電源装置は、図３の状態から上下を反転して配置することもできる。上下反転して配置する電源装置は、下から上に冷却風を送風して、ホルダーケース内の電池モジュールを冷却する。下から上に冷却風を送風するホルダーケースは、スムーズに冷却風を流すことができる。

電池ケース２は、下ケース２Ａと上ケース２Ｂからなる。下ケース２Ａは、ひとつのホルダーケース２０を固定し、あるいは複数のホルダーケースを並べて固定している。上ケース２Ｂは、ホルダーケース２０の上面に固定される。

下ケース２Ａは、ホルダーケース２０を固定するフレームである。この下ケース２Ａは、両側に沿って凸条（図示せず）を設けて、凸条にホルダーケース２０の両端部を載せて固定して、ホルダーケース２０との間に排出側のダクト６を設けている。この下ケース２Ａは、凸条の高さで排出側のダクト６の上下幅を調整する。図示しないが、ホルダーケースと下ケースとの間に排出側のダクトを設ける電源装置は、凸条の高さを、冷却風の流れる方向に向かって次第に高くして、冷却風が流れる方向に排出側のダクトを広くすることができる。

上ケース２Ｂは、ホルダーケース２０の上面を覆うカバーで、ホルダーケース２０との間に流入側のダクト５を設けている。この電源装置は、図示しないが、上ケースとホルダーケースとの間隔を、冷却風の流れる方向に向かって次第に狭くして、冷却風が流れる方
向に流入側のダクトを狭くすることができる。

さらに、電池ケース２は、電池モジュールの両端面に位置するエンドプレート（図示せず）を、ホルダーケース２０に固定する。エンドプレートは、プラスチック等の絶縁材で成形されて、電池モジュールの両端に設けている電極端子に固定されるバスバーを定位置に連結している。バスバーは、隣接する電池モジュールを直列に接続する金属板である。エンドプレートは、バスバーをネジ止して電池モジュールに固定されて、ホルダーケース２０の定位置に固定される。

図３に示すホルダーケース２０は、電池モジュールを平行な姿勢で、冷却風の送風方向（図において上下方向）に複数段に並べて収納している。図３のホルダーケース２０は、電池モジュールを３段に並べて収納している。

ホルダーケース２０は、図４の拡大断面図に示すように、一対の対向壁２３の内側に複数段（図において３段）に電池モジュールを収納している。また、一対の対向壁２３の流入側と排出側を、流入壁２４と排出壁２５で閉塞して、一対の対向壁２３と流入壁２４及び排出壁２５でもって閉鎖室を形成して、閉鎖室に電池モジュールを収納している。

図３と図４に示すホルダーケース２０は、収納している電池モジュールに冷却風を送風するための流入口２１と排出口２２とを開口している。流入口２１からホルダーケース２０に流入される冷却風は、電池モジュールを冷却して排出口２２から排出される。

図のホルダーケース２０は、流入口２１を流入壁２４に開口して、排出口２２を排出壁２５に開口している。流入口２１は、流入壁２４の両側に開口されて、内部に流入させる冷却風を、流入壁側の電池モジュールと対向壁２３との間に送風する。図の流入壁２４は、対向壁２３の内面の真上に流入口２１を開口している。この流入口２１は、対向壁２４の内面に沿って冷却風を送風して、対向壁２３と電池モジュールとの間に冷却風を通過させる。

流入口２１は、流入壁２４の両側に開口されるが、必ずしも図に示すように対向壁２３の内面の真上には特定しない。たとえば、対向壁の内面の真上から中央にずれて位置するように開口することもできる。流入壁側の電池モジュールは、その両側部分にあって、対向壁２３に接近する送風隙間２６での熱交換量を大きくするが、他の部分での熱交換量を大きくしない。流入壁側の電池モジュールを冷却する冷却風は、他の電池モジュールを冷却する冷却風よりも温度が低く、狭い送風隙間２６で効率よく電池モジュールを冷却する。

流入口２１が流入壁２４の中央に開口されると、流入口２１からホルダーケース２０内に流入した冷却風は、図において電池モジュールの上半分の表面に沿って流動して、電池モジュールを冷却する。図の電源装置は、流入壁側の電池モジュールの上面を冷却風で冷却することなく、両側にできる対向壁２３との送風隙間２６でのみ冷却して、他の電池モジュールの冷却バランスを均一にする。

図３と図４の電源装置は、ホルダーケース２０の上面であって、流入側のダクト５と対向する面に複数の流入口２１を並べて開口している。流入側のダクト５の冷却風は分流して複数の流入口２１から、ホルダーケース２０に流入し、流入された冷却風でホルダーケース２０内の電池１を強制冷却する。

１…電池
２…電池ケース ２Ａ…下ケース
２Ｂ…上ケース
３…発熱部品
４…電装ケース ４Ａ…放熱ケース
４Ｂ…カバーケース
５…流入側のダクト
６…排出側のダクト
７…送風ファン
８…放熱部
９…放熱フィン
１０…コンタクタ １０Ａ…プラス側のコンタクタ
１０Ｂ…マイナス側のコンタクタ
１１…プリチャージ回路
１２…プリチャージリレー
１３…プリチャージ抵抗
１４…ＤＣ／ＡＣインバータ
１５…コンデンサー
１６…制御回路
１７…回路基板
１９…断熱空気隙間
２０…ホルダーケース
２１…流入口
２２…排出口
２３…対向壁
２４…流入壁
２５…排出壁
２６…送風隙間
２７…垂直壁
２８…連結ボス ２８Ａ…雌ネジ孔
２９…放熱フィン
３０…止ネジ
９１…電池
９２…電池ケース
９３…電装部品
９４…電装ケース
９７…冷却ファン

Claims (6)

1. 複数の電池と、
   発熱素子を含む発熱部品と、
   前記発熱素子が実装される回路基板と、
   固定面に隣接して配置される電装ケースであって、前記回路基板を収納する前記電装ケースと、
   前記電装ケースを前記固定面に固定するための固定部材と、を備え、
   前記電装ケースは、
   有底の開口を有すると共に、前記回路基板が固定される金属製の下ケースと、
   前記金属製の下ケースの前記有底の開口を閉塞する樹脂製の上ケースと、を含み、
   前記金属製の下ケースは、
   前記固定部材が挿通される貫通孔が形成される固定部と、
   前記電装ケースの表面に位置するように該金属製の下ケースに設けられ、前記発熱素子と熱結合される放熱フィンと、を含み、
   前記固定部材は、前記樹脂製の上ケースではなく、前記金属製の下ケースを前記固定面に固定するように、前記固定部の貫通孔に挿通されることを特徴とする電源装置。
2. 請求項１に記載の電源装置であって、
   前記固定部材は、前記固定部に形成された前記貫通孔に挿通される止ネジであることを特徴とする電源装置。
3. 請求項１または請求項２に記載の電源装置であって、
   前記放熱フィンは、互いに平行な凸条に形成されることを特徴とする電源装置。
4. 請求項１から３のいずれかにに記載の電源装置であって、
   前記放熱フィンは、前記金属製の下ケースの底面に設けられることを特徴とする電源装置。
5. 請求項１から４のいずれかに記載の電源装置であって、
   さらに、前記放熱フィンと前記発熱部品との間に充填される熱伝導ペーストを備えるこ
   とを特徴とする電源装置。
6. 請求項１から５のいずれかに記載の電源装置であって、
   前記発熱素子は、ＭＯＳＦＥＴを含むことを特徴とする電源装置。

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