JP5792867B1 - 車載用電力変換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ハウジング経由で伝わる変速機の熱を遮断、または軽減可能な車両用電力変換装置を得る。【解決手段】変速機ハウジング５に取り付けられる車載用電力変換装置であって、バッテリの直流電力を交流電力に変換するインバータ機能を有する電力変換装置本体部１０と、変速機ハウジング５に形成された固定部５ａに取り付けられる取付面９ａを有し、取付面９ａの側に設けられた収容部に電力変換装置本体部１０が収容され、収容部の反対側の面に冷却水路１４が形成された電力変換装置ハウジング９と、変速機ハウジング５と電力変換装置本体部１０の間にあって、電力変換装置ハウジング１０に固定されて電力変換装置本体部１０を覆う樹脂製の蓋体１６と、を備えて構成した。【選択図】図２

Description

この発明は、直流電力を交流電力に変換し、あるいは交流電力を直流電力に変換する機能を有する車載用電力変換装置に関するものである。

ハイブリッド車のような電気エネルギーを用いた自動車には、駆動用モータや、駆動用モータに電力を供給するための高電圧バッテリ、および、高電圧バッテリの直流電力を交流電力に変換するインバータが備えられている。また、上記に加え、高電圧バッテリの電圧を１２Ｖ系の電圧に変換するためのＤＣ−ＤＣコンバータ、更に車種によっては高電圧バッテリの電圧をより高い電圧に変換するための昇圧コンバータを追加で搭載しているものもある。このように、ハイブリッド車は、従来車に比べて多くの追加機器が必要であるため従来車に比べて組立工数が多くなる。このため、ハイブリッド車専用の組立ラインが設けられることも多く、高コストの一因となっている。

この課題を解決するため、近年では、機電一体化の機運が高まっている。これは車両の組立工程の簡素化に加え、機器間を接続するハーネスの削減にも寄与するため、車両重量の軽減、すなわち燃費（電費）向上にもつながるものである。
この機電一体化技術の１つとして、インバータを駆動用モータ内蔵の変速機に直接取り付ける構造が提案されている。この構造は車両の組立工程を簡素化するだけでなく、駆動用モータと電力変換装置を接続する三相ハーネスの削減にもつながる。また、インバータを車室内に搭載しているハイブリッド車においては、インバータを車室内から取り去ることができるため、車室内のスペース拡大につながる。

電動車両の変速機に固定する車載用電力変換装置の従来技術としては、例えば、トランスミッションに固定したハウジング内に、冷却媒体を流通させる流路形成体を収容し、流路形成体にコンデンサモジュールを固定し、その外周に沿って形成された冷媒流路に両面冷却構造のパワー半導体モジュールを複数個挿入し、コンデンサモジュールやパワー半導体モジュールの上にバスバーアッセンブリを配置し、バスバーアッセンブリを流路形成体に固定した技術が開示されている。この構造により、コンデンサモジュールとパワー半導体モジュールとをコンパクトに配置することができ、更にバスバーアッセンブリが必要する空間を少なくできる（例えば、特許文献１参照）。

特開２０１１−２１７５４８号公報（要約、図１４）

上述した機電一体化構造は、大きく分けて３つの課題を抱えている。１つ目は、インバータが特に厳しい変速機の振動条件をクリアしなければならないこと、２つ目は、高温の変速機とインバータのハウジング同士が接する構造であるため、変速機の熱がインバータに伝わりやすく、インバータで耐熱性が必要となることである。変速機側の取り付け面積は限られているため、これら２つの課題を解決し、限られたスペースで電力変換装置の耐振化、耐高熱化を両立させる必要がある。続いて３つ目は、変速機側の冷却器設計とインバータの熱設計の分離である。変速機側に冷却器を設ける場合、インバータメーカが冷却器を設計できないため、冷却器設計とインバータの熱設計をトータルで行えなくなる。このため、インバータメーカにとっては、インバータ側に冷却器を設ける構成が望ましい。

上記の特許文献１の電力変換装置には、上述した課題を解決するための１つの手段が開示されている。すなわち、変速機とモータの熱は、ハウジング経由とバスバー経由で伝わるが、電力変換装置側に冷媒流路を設け、変速機とモータの熱は、冷媒により冷却された流路形成体を介して三相のバスバーを冷却することで、モータの熱によるバスバーの温度上昇を抑えている。このように特許文献１には、モータの熱がバスバー経由で伝わる経路に対する対策方法が開示されているが、ハウジング経由で伝わる熱への対策についての開示はなく、上述した２つ目の課題に対しては十分な対策が示されていない。

この発明は、上記のような問題を解決するためになされたもので、熱対策のうち、特に、ハウジング経由で伝わる変速機の熱を遮断、または軽減可能な車載用電力変換装置を得ることを目的とする。

この発明に係る車載用電力変換装置は、原動機および走行モータが発生する動力を車輪側に伝達する変速機を収容する変速機ハウジングに取り付けられる車載用電力変換装置であって、バッテリの直流電力を交流電力に変換するインバータ機能を有する電力変換装置本体部と、変速機ハウジングに形成された固定部に取り付けられる取付面を有し、取付面の側に設けられた収容部に電力変換装置本体部が収容され、収容部の反対側の面に冷却水路が形成された金属製の電力変換装置ハウジングと、変速機ハウジングと電力変換装置本体部の間にあって、金属よりも熱伝導率が低い樹脂素材からなり、電力変換装置ハウジングに固定されて電力変換装置本体部を覆う蓋体と、を備えたものである。

この発明の車載用電力変換装置によれば、電力変換装置本体部と、変速機ハウジングに取り付ける取付面の側に設けられた収容部に電力変換装置本体部が収容され、収容部の反対側の面に冷却水路が形成された金属製の電力変換装置ハウジングと、変速機ハウジングと電力変換装置本体部の間にあって、金属よりも熱伝導率が低い樹脂素材からなり、電力変換装置ハウジングに固定されて電力変換装置本体部を覆う蓋体とを備えたので、樹脂製の蓋体により、変速機のハウジング側から電力変換装置本体部に伝わる熱を遮断、もしくは軽減できる。また、変速機側から電力変換装置ハウジングの側壁部を経由する経路から侵入する熱は、電力変換装置ハウジングに設けた冷却水路を通じて放熱される。したがって、全体として変速機の熱が電力変換装置本体部へ与える影響を小さくすることができ、結果として、より少ないスペースでより高出力の電力変換装置を実現することが可能となる。

この発明の実施の形態１による車載用電力変換装置を搭載したハイブリッド車のシステム構成図である。 この発明の実施の形態１による車載用電力変換装置の組み付け構成図であり、図１のＡ−Ａ部の断面図である。 この発明の実施の形態２による車載用電力変換装置の組み付け構成図であり、図１のＡ−Ａ部に相当する部分の断面図である。

実施の形態１．
図１は、この本発明の実施の形態１による車載用電力変換装置を搭載したハイブリッド車のシステム構成の一例を示す図であり、模式的に表示している。先ず図に基づいてシステムの概要を説明する。
図１において、ハイブリッド車の動力発生源となる原動機１は、例えば、ガソリンエンジンやディーゼルエンジンで構成されている。
原動機１が発生する回転トルクは、変速機２に伝達され、デファレンシャルギア３を介して車輪４に伝達される。
変速機２は、金属製の変速機ハウジング５の内部に、図示しない変速機本体と、クラッチ６と、走行モータ７が収納されている。
クラッチ６は、原動機１と走行モータ７間で回転を伝達したり遮断したりするものであり、走行モータ７は、電力変換装置８からの交流電力によって動作し、車輪４を駆動するものである。

走行モータ７に交流電力を供給する電力変換装置８は、金属製の電力変換装置ハウジング９（図２参照）の内部に電力変換装置本体部１０が収容されている。
電力変換装置本体部１０は、バッテリの直流電力を交流電力に変換するインバータ機能を有するインバータを少なくとも備えているが、これ以外にも、高電圧バッテリの電圧を１２Ｖ系の電圧に変換するためのＤＣ−ＤＣコンバータや、高電圧バッテリの電圧をより高い電圧に変換するための昇圧コンバータなど、他の機器を追加で搭載される場合もある。電力変換装置本体部１０は、スイッチング素子等の電子部品が組み合わされて構成されるが、本願発明の主要部ではないので回路構成等の詳細な説明は省略する。
電力変換装置８には、電力変換装置８に直流電力を供給するための高電圧バッテリ１１が、メインコンタクタ１２を介して接続されている。

次に、電力変換装置８の取付構造について説明する。
図２は、図１の矢視Ａ−Ａの断面図であり、電力変換装置８の組み付け構成を説明する構成図である。なお、本願発明は、この組み付けの構造に特徴を有するので、その部分を中心に説明し、本願発明に直接関係しない部分の図示および説明は省略する。
図２に示すように、変速機本体部（図示せず）が収容される変速機ハウジング５は、電力変換装置ハウジング９を固定するための固定部５ａを有している。

電力変換装置ハウジング９は、変速機ハウジング５の固定部５ａに取り付けるための取付面９ａを有し、その面の内側に、電力変換装置本体部１０を収容可能な凹部１３が形成されている。この凹部１３が、電力変換装置本体部１０の収容部となっている。更に、収容部の反対側の面に、冷却水を流通させるための冷却水路１４が形成されている。冷却水路１４は、電力変換装置ハウジング９の収容部とは背中合わせの部位に、窪みや溝が凹設されて形成されている。そして、冷却水路１４からの水漏れを防ぐための冷却水路カバー１５が設けられている。
一方、電力変換装置ハウジング９の収容部側には、電力変換装置本体部１０を収容した状態で収容部を塞ぐための蓋体１６が設けられている。蓋体１６の材料としては、樹脂素材のように金属よりも熱伝導率が低い素材が用いられている。

組立は、電力変換装置ハウジング９の凹部１３に電力変換装置本体部１０を収容して固定し、蓋体１６を電力変換装置ハウジング９にねじ止めにより固定する。このとき、蓋体１６と電力変換装置ハウジング９の境界には防水機能は必要なく、簡易的なシーリングでよい。一方、冷却水路１４は、冷却水路カバー１５を、Ｏリング１７を介して取り付けることで冷却水の水漏れを防ぐようにしている。
こうして組み立てられた電力変換装置８は、変速機ハウジング５の固定部５ａへＯリング１８を介してねじ止めにより組み付ける。これにより電力変換装置ハウジング９の内部へ浸水するのを防いでいる。なお、Ｏリング溝などの図示は省略している。
変速機ハウジング５の固定部５ａには、電力変換装置ハウジング９の側の蓋体１６が嵌合する大きさの凹部が形成されており、また、固定用のねじ穴が設けられている。

次に作用について説明する。
本願発明の蓋体１６は、図２からも明らかなように、変速機ハウジング５と電力変換装置本体部１０の間に配置されている。この蓋体１６を、熱伝導率が低い樹脂製としたことにより、一般的な樹脂素材の熱伝導率は金属よりも２桁小さいので、良好な遮熱材となり、変速機ハウジング５側から電力変換装置本体部１０に及ぼす熱を遮断、もしくは軽減できる。また、変速機ハウジング５側の熱が電力変換装置ハウジング９の側壁部を経由して電力変換装置本体部１０へ伝わる経路もあるが、電力変換装置ハウジング９の底部（収容部の反対側の面）に冷却水路１４を形成しているため、この冷却水路１４を通じて放熱される。
したがって、変速機側の熱が電力変換装置本体部１０の構成部品へ与える影響を小さくすることができ、電力変換装置本体部１０に対して効果的な熱対策ができるため、より少ないスペースでより高出力の電力変換装置８を実現することが可能となる。

また、機電一体化に伴うもうひとつの課題である耐振化を克服するためには、より多くのスペースを必要とするため、本願の構成で得られた電力変換装置８の小型化は、耐振化にとっても有利に働く。このため、変速機の限られたスペースで耐熱性、耐振性を両立することができる。
更に、電力変換装置８は、通常、変速機とは別のメーカで製作されるので、蓋体１６は、電力変換装置８を車両メーカへ納入して変速機ハウジング５に組み付けるまでの間の防塵の役割を果たす。

以上のように、実施の形態１の車載用電力変換装置によれば、原動機および走行モータが発生する動力を車輪側に伝達する変速機を収容する変速機ハウジングに取り付けられる車載用電力変換装置であって、バッテリの直流電力を交流電力に変換するインバータ機能を有する電力変換装置本体部と、変速機ハウジングに形成された固定部に取り付けられる取付面を有し、取付面の側に設けられた収容部に電力変換装置本体部が収容され、収容部の反対側の面に冷却水路が形成された電力変換装置ハウジングと、変速機ハウジングと電力変換装置本体部の間にあって、電力変換装置ハウジングに固定されて電力変換装置本体部を覆う樹脂製の蓋体と、を備えたので、樹脂製の蓋体により、変速機のハウジング側から電力変換装置本体部に伝わる熱が遮断、もしくは軽減できる。また、変速機側から電力変換装置ハウジングの側壁部を経由する経路から侵入する熱は、電力変換装置ハウジングに設けた冷却水路を通じて放熱される。したがって、全体として変速機の熱が電力変換装置本体部へ与える影響を小さくすることができ、結果として、より少ないスペースでより高出力の電力変換装置を実現することが可能となる。

また、電力変換装置ハウジングの取付面の側に、電力変換装置本体部を収容可能な凹部を形成し、その凹部を電力変換装置本体部の収容部としたので、上記の効果に加えて、電力変換装置が取り付けられる変速機ハウジングの固定部の形状が簡単となる。

実施の形態２．
図３は、実施の形態２による車載用電力変換装置の組み付け構成図であり、図１のＡ−Ａ部に相当する部分の断面図である。実施の形態１の図２に対応する部分なので、図２と同等部分は同一符号を付して説明は省略する。
図３に示すように、本実施の形態の変速機ハウジング１９は、電力変換装置ハウジング２０を取り付けるための固定部１９ａに、電力変換装置ハウジング２０の側の蓋体２１の部分が嵌合する大きさの凹部が形成されている。

一方の、電力変換装置ハウジング２０は、変速機ハウジング１９の凹部を塞ぐ大きさの板状部材からなり、変速機ハウジング１９の固定部１９ａに面する側の取付面２０ａの内側に、電力変換装置本体部１０の収容部が形成される。収容部の反対側の面に冷却水路１４が形成されている点、また、冷却水路１４を覆うように、冷却水路カバー１５が、Ｏリング１７を介して電力変換装置ハウジング２０に固定される点は、実施の形態１と同様で
ある。

電力変換装置ハウジング２０の取付面２０ａの側には、電力変換装置本体部１０の全体を覆うように、蓋体２１が設けられている。すなわち、蓋体２１は、電力変換装置本体部１０と対向する側に、電力変換装置本体部１０を収容可能な凹部２２が形成されており、この凹部２２が電力変換装置本体部１０の収容部となっている。
蓋体２１は、周囲に形成したフランジ部をねじ止めすることで、電力変換装置ハウジング２０に固定されている。この部分は特に防水機能は必要なく、簡易的なシーリングでよい。蓋体２１の材料は、金属よりも熱伝導率が低い樹脂素材が用いられる。
電力変換装置ハウジング２０に電力変換装置本体部１０を固定し、蓋体２１と冷却水路カバー１５を取り付けた状態で、変速機ハウジング１９に組み付ける。この部分は、内部への浸水を防ぐためのＯリング１８が用いられている。

次に、作用について説明する。基本的には実施の形態１と同様なので、本実施の形態による特徴部分を中心に説明する。
電力変換装置本体部１０が収容された蓋体２１の部分を、変速機ハウジング１９の固定部１９ａ側に形成した凹部に収納する構造を採用したことにより、電力変換装置ハウジング２０を軽量化できる。これにより、電力変換装置ハウジング２０を変速機ハウジング１９に固定するための固定部の強度を軽減できる。これは、電力変換装置８の小型化につながるため、より省スペースで電力変換装置８を変速機ハウジング１９に取り付けることが可能となる。

また、蓋体２１を樹脂製としたことにより、変速機ハウジング１９から電力変換装置本体部１０に伝わる熱を遮断、もしくは軽減できる。この樹脂製の蓋体２１が、電力変換装置本体部１０の周囲と上面を覆うため、変速機ハウジング１９の壁部からの熱の影響を小さくすることができる。
また、変速機側の熱が変速機ハウジング１９の固定部１９ａの壁部を経由して電力変換装置本体部１０に伝わる経路もあるが、電力変換装置ハウジング２０の底部（収容部の反対側の面）に冷却水路１４を形成しているため、壁部を伝わってきた熱は冷却水路１４へ放熱される。したがって、電力変換装置本体部１０の構成部品へ与える影響を小さくすることができ、電力変換装置８の熱対策が軽減されるため、より少ないスペースでより高出力の電力変換装置８を実現することが可能となる。

以上のように、実施の形態２の車載用電力変換装置によれば、電力変換装置本体部に対向する蓋体の面に、電力変換装置本体部を収容可能な凹部を形成し、その凹部を電力変換装置本体部の収容部としたので、実施の形態１と同様の効果に加えて、電力変換装置ハウジングを軽量化できる。
また、蓋体で電力変換装置本体部の周囲も覆っているため、変速機ハウジング側からの熱の影響を、実施の形態１より更に小さくすることができる。
その結果、より少ないスペースでより高出力の電力変換装置を実現することが可能となる。

なお、本願発明は、その発明の範囲内において、各実施の形態を自由に組み合わせたり、各実施の形態を適宜、変更、省略したりすることが可能である。

１ 原動機、２ 変速機、３ デファレンシャルギア、４ 車輪、５ 変速機ハウジング、５ａ 固定部、６ クラッチ、７ 走行モータ、８ 電力変換装置、９ 電力変換装置ハウジング、９ａ 取付面、１０ 電力変換装置本体部、１１ 高電圧バッテリ、１２ メインコンタクタ、１３ 凹部、１４ 冷却水路、１５ 冷却水路カバー、１６ 蓋体、１７，１８ Ｏリング、１９ 変速機ハウジング、１９ａ 固定部、２０ 電力変換装置ハウジング、２０ａ 取付面、２１ 蓋体、２２ 凹部。

Claims (3)

1. 原動機および走行モータが発生する動力を車輪側に伝達する変速機を収容する変速機ハウジングに取り付けられる車載用電力変換装置であって、
   バッテリの直流電力を交流電力に変換するインバータ機能を有する電力変換装置本体部と、
   前記変速機ハウジングに形成された固定部に取り付けられる取付面を有し、前記取付面の側に設けられた収容部に前記電力変換装置本体部が収容され、前記収容部の反対側の面に冷却水路が形成された金属製の電力変換装置ハウジングと、
   前記変速機ハウジングと前記電力変換装置本体部の間にあって、金属よりも熱伝導率が低い樹脂素材からなり、前記電力変換装置ハウジングに固定されて前記電力変換装置本体部を覆う蓋体と、
   を備えたことを特徴とする車載用電力変換装置。
2. 請求項１に記載の車載用電力変換装置において、
   前記電力変換装置ハウジングの前記取付面の側に、前記電力変換装置本体部を収容可能な凹部を形成し、その凹部を前記電力変換装置本体部の前記収容部としたことを特徴とする車載用電力変換装置。
3. 請求項１に記載の車載用電力変換装置において、
   前記電力変換装置本体部に対向する前記蓋体の面に、前記電力変換装置本体部を収容可能な凹部を形成し、その凹部を前記電力変換装置本体部の前記収容部としたことを特徴とする車載用電力変換装置。