JP5952142B2 - パワーコントロールユニット - Google Patents

Description

本発明は、電気自動車に搭載され、走行用モータに交流電力を供給するパワーコントロールユニット関する。本明細書における電気自動車には、モータとエンジンを備えるハイブリッド車や燃料電池車を含む。

電気自動車は、モータを駆動するためのデバイスとして、インバータ回路や電圧コンバータ回路など様々な電気デバイスを必要とする。他方、それらの電気デバイスを搭載する空間（典型的にはエンジンコンパートメント）には制限があるため、それらの電気デバイスには小型化が求められる。

電気デバイスを小型化する一つの方策として、インバータ回路と電圧コンバータ回路を一つの筐体に収める技術がある（例えば、特許文献１）。なお、電気自動車用のインバータ回路は発熱が大きいため、冷却器を備えることが多い。特許文献１の技術は、冷却器も筐体に収める。

特開２００５−０３２８３０号公報

電気デバイスを小型化すると、内部の部品が発した熱が筐体内部に籠り易くなるため、温度上昇を抑制する必要がある。特に、走行用のモータに交流電力を供給するパワーコントロールユニット（インバータ回路を含む）は、大電流を扱うため、発熱量が大きい。なお、以下では、簡単化のため、「パワーコントロールユニット」を略してＰＣＵ（Ｐｏｗｅｒ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）と称する。

本願出願人は、バスバ（大電流を通す導電体であり、棒状の金属部材による導電体。通常はＰＣＵ筐体内で配索される）の一部を、ＰＣＵの外側に配索することによって、ＰＣＵの温度上昇を抑制することを提案した（特願２０１１−１１２０７１号、本願出願時は未公開）。本明細書は、特願２０１１−１１２０７１号で提案した技術をさらに改良し、バスバの一部をＰＣＵ筐体外側に配索する際に、ＰＣＵ内部の熱を受けて温度が上昇するバスバを効率よく冷却する技術を提供する。

本明細書が開示する技術は、走行用のモータに交流電力を供給するＰＣＵであり、インバータ回路を冷却する冷却器が内蔵されているＰＣＵを対象とする。本明細書が開示する技術は、ＰＣＵと外部のデバイスを電気的に接続するバスバをＰＣＵの筐体外側に配索し、そのバスバの一部を、冷却器に対応する筐体外壁部分の外面に接触させる。そのような構造を採用することによって、バスバを積極的に冷却することができる。なお、冷却器に対応する筐体外壁部分とは、冷却器の近傍に位置する外壁部分である。「バスバの一部を、冷却器に対応する筐体外壁部分の外面に接触させる」とは、より具体的には、バスバの一部と冷却器が筐体の外壁を挟んで対向するとともに、バスバと冷却器が筐体外壁に接するようにバスバを配索することに相当する。

本明細書が開示する技術の別の一態様では、バスバを被覆する被覆材の筐体部分と接する部分に、被覆材の材質よりも熱伝導率が高い樹脂を埋め込むと良い。バスバと筐体外壁との間に熱伝導率の高い材料を介在させることによって、バスバを効率よく冷却することができる。

ＰＣＵのより具体的な態様の一例は、モータ用の電力を蓄えるメインバッテリの出力電圧を降圧する降圧回路を内蔵しており、冷却器は、インバータ回路のスイッチング素子（典型的にはＩＧＢＴ）を冷却するものである。そして、バスバのより具体的な態様の一例は、降圧回路の出力を、メインバッテリよりも出力電圧が低い低電圧バッテリ（補機バッテリ）に供給するための導電材の一部である。降圧回路も発熱量の大きい回路であり、バスバはその降圧回路の熱により温度が上昇する。筐体外壁を挟んでバスバと対峙する冷却器が、そのバスバを効果的に冷却する。

本明細書が開示する技術の詳細とさらなる改良は以下の「発明を実施するための形態」にて説明する。

実施例の電気自動車の電力系のブロック図である。 一例の冷却器の斜視図である。 ＰＣＵの模式的外観図である。 ＰＣＵの筐体側壁とバスバの断面図である。

図面を参照して実施例のＰＣＵ２（パワーコントロールユニット）を説明する。ＰＣＵ２は、２個のモータとエンジンを駆動力として備えるハイブリッド車に搭載されるデバイスである。まず、ＰＣＵ２を含む、ハイブリッド車１の電力系を説明する。図１に、ハイブリッド車１の電力系のブロック図を示す。ハイブリッド車１では、２個のモータ４５、４６の駆動軸とエンジン４３の駆動軸が動力分配機構４４に連結しており、動力分配機構４４の出力は車軸４７とデフ４８を介して駆動輪４９に伝達される。詳しい説明は省略するが、動力分配機構４４は、プラネタリギアで構成されており、エンジン４３の出力と２個のモータ４５、４６の出力を適宜に合成／分配して車軸４７へ伝達する。また、場合によっては、動力分配機構４４は、エンジン４３の出力を一方のモータ４５の出力軸へと伝達する。この場合、モータ４５はエンジン４３によって駆動され、発電機として機能する。さらに、ドライバがブレーキペダルを踏んだ際、動力分配機構４４は、車軸４７をモータ４５と連動させる。この場合、モータ４５は、車両の運動エネルギから駆動力を得て回転し、発電する。車両の運動エネルギを使って発電することは一般に「回生」と呼ばれる。

ハイブリッド車１の電力系は、主として、メインバッテリ４０、低電圧バッテリ（補機バッテリ）４１、及び、ＰＣＵ（パワーコントロールユニット）で構成される。その他にも、例えば、メインバッテリ４０とＰＣＵ２の間には、システムメインリレーが備えられている。電力系を構成するデバイスは他にもあるが、ここでは、それらの説明は省略する。

メインバッテリ４０は、モータを駆動するための電力を蓄えるバッテリであり、その出力電圧は例えば３００ボルトである。低電圧バッテリ４１は、ルームランプやカーナビゲーションなど、メインバッテリ４０の出力電圧よりも低い電圧で駆動するデバイスに電力を供給するためのバッテリであり、その出力電圧は例えば１２ボルトである。ルームランプやカーナビゲーションなど、低電圧で駆動するデバイスは「補機」と総称されることがある。それゆえ、「低電圧バッテリ」は、「補機バッテリ」と呼ばれることがある。なお、ＰＣＵ２に内蔵される制御基板３４も補機に相当する。

ＰＣＵ２は、昇降圧コンバータ３３、降圧コンバータ３７、２個のインバータ回路３５、３６、２個のコンデンサ３１、３２、及び、制御基板３４を含む。メインバッテリ４０は、昇降圧コンバータ３３と降圧コンバータ３７に接続される。別言すれば、メインバッテリ４０の出力電力は、昇降圧コンバータ３３と降圧コンバータ３７にそれぞれ入力される。ＰＣＵ２の筐体には、上記のデバイスが格納される。

昇降圧コンバータ３３は、メインバッテリ４０の出力電圧を、モータ駆動に適した電圧（例えば６００ボルト）に昇圧する。また、昇降圧コンバータ３３は、モータ４５が発電する場合には、その電力をメインバッテリ４０の電圧まで降圧する。

降圧コンバータ３７は、メインバッテリ４０の出力電圧を、低電圧バッテリ４１の充電に適した電圧に降圧する。降圧コンバータ３７の高電圧側はメインバッテリ４０に接続しており、低電圧側は、中継器３８、３９を介して補機バッテリ４１の電力線４２に接続している。電力線４２には様々な補機が接続されるが、図１の「to AUX」の文字が、様々な補機が接続されることを簡略に表している。中継器３８、３９は、ＰＣＵ２の筐体の側面に設置されているボックスであり、それらの間を接続する導体には棒状の金属材が用いられる。その棒状の金属部材がバスバ４に相当する。なお、中継器３８は、ＰＣＵ２の内部の電気ケーブル（バスバ）と、ＰＣＵ２の筐体の外に配索されるバスバ４を接続するためのボックスであるので、図１では、ＰＣＵの筐体を表す矩形の境界に中継器３８を描いてある。中継器３８、３９、バスバ４については後に改めて説明する。

昇降圧コンバータ３３の低電圧側（メインバッテリ４０と接続する側）と高電圧側（インバータ回路３５、３６と接続する側）には、それぞれ、コンデンサ３１、３２が接続されている。これらのコンデンサは、電流の脈動を抑制する（いわゆる電流の平滑化）のために備えられている。

昇降圧コンバータ３３の高電圧側には、コンデンサ３２を介して、２個のインバータ回路３５、３６が接続されている。インバータ回路３５、３６は、それぞれ、昇圧された直流電力を、モータの駆動に適した交流電力に変換し、夫々のモータ４５、４６に供給する。インバータ回路３５、３６は、２個のスイッチング回路（典型的にはＩＧＢＴなどのトランジスタとそれに逆並列に接続されるダイオード）の直列接続回路が３セット並列に接続した回路構成を有している。

昇降圧コンバータ３３や降圧コンバータ３７も、インバータ回路と同様にスイッチング回路を備える。昇降圧コンバータ３３、降圧コンバータ３７、及び、２個のインバータ回路３５、３６が備えるスイッチング回路は、制御基板３４に実装されたコントローラによって制御される。具体的には、コントローラは、スイッチング回路のトランジスタのゲートに加えるＰＷＭ信号を生成して各トランジスタに与える。昇降圧コンバータ、降圧コンバータ、及び、インバータ回路の具体的な回路構成は良く知られているので詳しい説明は省略する。

電気自動車のモータは出力が大きく、インバータ回路は大電流を扱うため、発熱が大きい。特に、スイッチング回路の発熱が大きく、従って、ＰＣＵ２は、スイッチング回路を冷却するための冷却器を備える。図２に、冷却器３の構造を示す。なお、この冷却器３は、２個のトランジスタ（ＩＧＢＴ）と２個のダイオードを樹脂でモールドした複数のパッケージ１３と冷媒が通る複数の冷却プレート１２が交互に積層した構造を有しており、パワーユニットとでも称すべきものであるが、本明細書では、冷却器に焦点を置いているので、上記の積層体を冷却器３と称する。

冷却器３の構造を概説する。パッケージ１３は、２個のトランジスタ（ＩＧＢＴ）１５と２個のダイオード１６を樹脂で封止したものである。パッケージ１３の内部にて、２個のトランジスタ１５は直列に接続している。２個のダイオード１６は、それぞれ、トランジスタ１５に逆並列に接続している。トランジスタとダイオードの逆並列の回路がスイッチング回路に相当する。すなわち、パッケージ１３は、２個のスイッチング回路が直列に接続された回路構成を内部に備えている。パッケージ１３の下側には、３本の金属板状の端子１７が延びている。それらは、２個のスイッチング回路の直列接続に高電圧側に繋がる端子、低電圧側に繋がる端子、及び、直列接続の中間に繋がる端子である。これらの端子１７には大電流が流れるため、金属板が用いられる。パッケージ１３の上側には、ＩＧＢＴのゲートに繋がる制御線１８が延びている。ゲートに供給する電流（すなわちＰＷＭ信号）は、エミッタやコレクタに流れる電流（モータを駆動するための電流）よりもはるかに小さく、それゆえ、制御線１８には金属細線が用いられる。

前述したように、インバータ回路は、２個のスイッチング回路の直列接続が３セット並列に接続された構造を有している、それぞれのパッケージ１３が一つの直列回路を構成するので、３個のパッケージ１３で一つのインバータ回路が構成される。図２に示すように、冷却器３には、６個のパッケージ１３が積層されており、そのうちの３個のパッケージ１３が一方のインバータ回路３５に相当し、残りの３個のパッケージ１３が他方のインバータ回路３６に相当する。なお、昇降圧コンバータ３３や降圧コンバータ３７もスイッチング回路を備えており、昇降圧コンバータ３３や降圧コンバータ３７のスイッチング回路を内蔵したパッケージがインバータ回路用のパッケージと一緒に積層される場合もある。

パッケージ１３は、両側にセラミック製の絶縁プレート１９を配して、隣接した冷却プレート１２に挟持される。冷却プレート１２は、内部を冷媒が通り、２枚の冷却プレート１２がパッケージ１３を両側から冷却する。隣接する冷却プレート１２は、２個の管（接続管）で接続されており、積層体の一端の冷却プレート１２には冷媒供給と排出のためのパイプ１４が接続される。一方のパイプ１４から供給される冷媒は、一方の接続管を通じて全ての冷却プレート１２に行き亘る。冷却プレート１２を横断してパッケージ１３から熱を奪った冷媒は、別の接続管とパイプ１４を通じて排出される。

図３にＰＣＵ２の外観図を示す。図３は、ＰＣＵの筐体を斜め下方から見た図である。図１を参照して説明したように、ＰＣＵ２の側面に中継器３８、３９が取り付けられている、中継器３８は、内部の降圧コンバータ３７の低電圧側端子とバスバ４の一端を接続するためのボックスであり、中継器３９は、バスバ４の他端と補機系の電力線を繋ぐワイヤハーネス５１を接続するためのボックスである。夫々のボックス内では、端子やバスバなどの金属板同士がボルトにて確実に接続される。

バスバ４は、ＰＣＵ２の一つの側面（第１の側面２ａ）にて中継器３８から延びており、第１側面２ａに沿って進み、隣接する第２の側面２ｂに沿って湾曲し、その第２側面２ｂに設けられた中継器３９へと続いている。バスバ４は、本来はＰＣＵ２の筐体内部に配索されてもよいのであるが、ＰＣＵ２の筐体を小型化すると、筐体内部にバスバを配索するスペースが適切に確保できなくなる場合がある。実施例のＰＣＵ２はそのような状況にあり、それゆえ、バスバ４を筐体外側に配索している。バスバ４を筐体外側に配索することによって、ＰＣＵ２の筐体がその分小型化できている。

前述したように、ＰＣＵ２の筐体には、昇降圧コンバータ３３、降圧コンバータ３７、２個のインバータ回路３５、３６、２個のコンデンサ３１、３２、及び、制御基板３４が格納される。前述したように、インバータ回路３５、３６の主要構成部品であるスイッチング回路は冷却器３に含まれる。即ち、図２に示した冷却器３もＰＣＵ２に内蔵される。なお、図３では、図２に示した冷却器３を単純な直方体で示してある。バスバ４は、冷却器３に対応する筐体外壁部分に接するように配索されている。別言すれば、冷却器３は、ＰＣU２の筐体外壁を挟んでバスバ４と対向している。図４に、図３のVI−VI矢視における断面図を示す。冷却器３は、ＰＣＵ２の外壁２１の内面に接しており、バスバ４は、外壁２１の外面（上記した第１側面２ａ）に接している。

なお、バスバ４は、絶縁性の被覆材５で被覆されている。そしてバスバ４を被覆する被覆材５の一部に樹脂プレート６が埋設されている。樹脂プレート６は、ＰＣＵ２の筐体（外壁２１）と対向する部分に埋設されている。樹脂プレート６は、その熱伝導率が被覆材５の熱伝導率よりも高い樹脂で作られている。

ＰＣＵ２の特徴と利点を説明する。ＰＣＵ２は、筐体全体を小型化するため、バスバ４を筐体外側に配索している。バスバ４は、その一端が降圧コンバータ３７の出力端（低電圧側の端子）に連なっており、降圧コンバータ３７の出力を、メインバッテリ４０よりも出力電圧が低い低電圧バッテリ４１（補機バッテリ）に供給するための導電材である。バスバ４は、降圧コンバータ３７の熱を伝え易く、それゆえ、高温になり易い。そこで、バスバ４は、その一部が、ＰＣＵ２の筐体外側にて、筐体外壁２１を挟んで冷却器３と対向するように配索されている。前述したように、冷却器３とバスバ４はともに筐体外壁２１に接している。そのようなバスバ４のレイアウトにより、バスバ４は、冷却器３によって効果的に冷却される。特に、バスバ４を被覆する被覆材５には、筐体外壁２１と接する部分に、被覆材５の材質よりも熱伝導率が高い樹脂プレート６が埋め込まれている。この熱伝導率の高い樹脂プレートが、バスバ４の冷却を促進する。

実施例にて説明した技術に関する留意点を述べる。熱伝導率の高い樹脂プレート６は、バスバ４を囲むように設けられていてもよい。また、樹脂プレート６の代わりに、熱伝導率が、被覆材のもともとの材料の熱伝導率よりも高い樹脂を被覆材に配合したものを用いてもよい。例えば、熱伝導率の高い樹脂の粉末をもともとの絶縁性の被覆材の材料に混ぜ合わせたもの被覆材５の材料として利用することも好適である。

以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。

１：ハイブリッド車
２：パワーコントロールユニット（ＰＣＵ）
２ａ、２ｂ：ＰＣＵ側面
３：冷却器
４：バスバ
５：被覆材
６：樹脂プレート
１２：冷却プレート
１３：パッケージ
１４：パイプ
２１：外壁
３１、３２：コンデンサ
３３：昇降圧コンバータ
３４：制御基板
３５、３６：インバータ回路
３７：降圧コンバータ
３８、３９：中継器
４０：メインバッテリ
４１：補機バッテリ

Claims (4)

1. 走行用のモータに交流電力を供給するパワーコントロールユニットであり、
   インバータ回路を冷却する冷却器が内蔵されており、
   パワーコントロールユニットと他のデバイスを電気的に接続するバスバがパワーコントロールユニットの外側に配索されているとともに、そのバスバの一部が前記冷却器に対応する筐体外壁部分の外面に接していることを特徴とするパワーコントロールユニット。
2. 前記バスバを被覆する被覆材の前記筐体外壁部分と接する部位に、被覆材の材質よりも熱伝導率が高い樹脂が埋め込まれていることを特徴とする請求項１に記載のパワーコントロールユニット。
3. 前記バスバの一部と前記冷却器が、筐体の外壁を挟んで対向していることを特徴とする請求項１または２に記載のパワーコントロールユニット。
4. 前記パワーコントロールユニットは、モータ用の電力を蓄えるメインバッテリの出力電圧を降圧する降圧回路を内蔵しており、
   前記冷却器は、インバータ回路のスイッチング素子を冷却するものであり、
   前記バスバは、降圧回路の出力を、メインバッテリよりも出力電圧が低い低電圧バッテリに供給するための導電材の一部であることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載のパワーコントロールユニット。

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