JP2016220360A - 電力変換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】組立時に放電抵抗素子を冷却器に固定する作業が容易となる電力変換装置を提供する。【解決手段】直流電源の正極側及び負極側にそれぞれ接続される一対の直流バスバ電極２１，２２と、一対の直流バスバ電極２１，２２に電気的に接続した電子部品１と、電子部品１に蓄積された電荷を放電する放電抵抗素子４と、放電抵抗素子４に熱的に接触した冷却器５と、一対の直流バスバ電極２１，２２と放電抵抗素子４との間に配置され、放電抵抗素子４を冷却器５に押しつけて固定する一対の金属製バスバ電極３１，３２とを備える。【選択図】図１

Description

本発明は、電力変換装置に関する。

電気自動車等の車両に適用される電力変換装置には、直流電源から供給される電流を平滑化するための平滑用コンデンサと、平滑用コンデンサに蓄積された電荷を放電するための放電抵抗素子が設けられる。放電抵抗素子は、平滑用コンデンサに蓄積された電荷を放電する際に発熱を伴うので、抜熱するために放電抵抗素子の近傍に冷却器が設けられる（例えば、特許文献１参照）。

特開２０１５−２３７３２０号公報

特許文献１に記載のように、放電抵抗素子はハーネス（電線）及び接続部材（接続バスバ）を介して平滑コンデンサに電気的に接続されている。しかしながら、組立時において、ハーネス（電線）が細く柔らかいため、放電抵抗素子を冷却器に固定する作業に多くの作業時間を要し、ロボットによる自動組立の場合にもハンドリングが困難といった問題がある。

上記問題点を鑑み、本発明の目的は、組立時に放電抵抗素子を冷却器に固定する作業が容易となる電力変換装置を提供することである。

本発明の一態様に係る電力変換装置によれば、一対の直流バスバ電極と放電抵抗素子との間に一対の金属製バスバ電極を配置し、一対の金属製バスバ電極により放電抵抗素子を冷却器に押しつけて固定することを特徴とする。

本発明によれば、組立時に放電抵抗素子を冷却器に固定する作業が容易となる電力変換装置を提供することができる。

本発明の第１の実施形態に係る電力変換装置の一例を示す断面図である。 本発明の第１の実施形態に係る電力変換装置を適用したモータ駆動システムの一例を示す回路図である。 本発明の第１の実施形態に係る放熱抵抗器の一例を示す斜視図である。 図４（ａ）は、本発明の第１の実施形態に係る放熱抵抗器周辺の温度分布を表す概略図である。図４（ｂ）は、比較例に係る放熱抵抗器周辺の温度分布を表す概略図である。 本発明の第２の実施形態に係る放熱抵抗器の一例を示す斜視図である。 本発明の第２の実施形態に係る放熱抵抗器の熱膨張時の様子を示す斜視図である。 本発明の第３の実施形態に係る放熱抵抗器の一例を示す正面図である。 本発明の第３の実施形態に係る放熱抵抗器のパワースペクトル密度波形を表すグラフである。 図９（ａ）〜図９（ｃ）は、本発明の第３の実施形態に係る放熱抵抗器のモデルＡ、Ｂ、Ｃをそれぞれ示す正面図である。 本発明の第３の実施形態に係る一対の金属製バスバ電極と放電抵抗素子との固定点間の距離に対する一対の金属製バスバ電極の高さの比率と固有振動数との関係を表すグラフである。

以下、図面を参照して、本発明の実施形態を説明する。図面の記載において同一部分には同一符号を付して説明を省略する。

（第１の実施形態）
本発明の第１の実施形態に係る電力変換装置は、図１に示すように、直流電源（図示省略）の正極側及び負極側にそれぞれ接続される一対の直流バスバ電極２１，２２と、一対の直流バスバ電極２１，２２に電気的に接続された放電抵抗器１０及び電子部品（平滑用コンデンサ）１と、放電抵抗器１０に熱的に接触した冷却器５とを備える。本明細書において、放電抵抗器１０と冷却器５とが「熱的に接触する」とは、放電抵抗器１０と冷却器５との間で熱交換可能な状態にあることを意味し、放電抵抗器１０と冷却器５とが直接機械的に接している場合に限られず、例えば放熱グリス等の熱伝導性の高い物質が中間に介在している状態を含む。なお、図１において、紙面に向かって左右方向をｘ軸方向、前後方向をｙ軸方向、上下方向をｚ軸方向として説明する。

本発明の第１の実施形態に係る電力変換装置は、直流電源を交流電源に変換するインバータであり、例えば図２に示すような電気自動車等の車両のモータ駆動システムに適用可能である。図２に示したモータ駆動システムは、直流電源１００と、直流電源１００の電流を平滑化する平滑用コンデンサ１と、イグニッションスイッチをオフした時に、平滑用コンデンサ１に蓄積された電荷を放電する放電抵抗１０２と、複数の半導体モジュール１１１〜１１６と、半導体モジュール１１１〜１１６を制御する制御回路１０４と、半導体モジュール１１１〜１１６により駆動される三相交流モータ１０３とを備える。複数の半導体モジュール１１１〜１１６のそれぞれは、絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）等のスイッチング素子１２１及び保護ダイオード１２２を有する。

図２に示した平滑用コンデンサ１０１及び放電抵抗１０２が、図１に示した平滑用コンデンサ１及び放電抵抗器１０にそれぞれ対応する。なお、図２に示した半導体モジュール１１１〜１１６等も図１に示した筐体７内に配置されるが、図１では図示を省略する。

図１に示すように、放電抵抗器１０及び平滑用コンデンサ１は、筐体７内に配置されている。筐体７の上部の開口部は蓋６により閉じられ、蓋６はネジ等の固定具７１，７２で筐体７に固定されている。平滑用コンデンサ１はネジ等の固定具７２，７５により筐体７に固定されている。一対の直流バスバ電極２１，２２は、平滑用コンデンサ１にネジ等の固定具７４で固定されている。なお、放電抵抗器１０及び平滑用コンデンサ１等の筐体７内の位置関係は特に限定されない。

冷却器５は、筐体７に一体的に形成されており、冷却フィン５３により区切られた冷却水路５２と、冷却フィン５３上に設けられた冷却プレート５１とを有する。なお、冷却器５は、筐体７とは独立した部品であってもよい。冷却器５は、放電抵抗器１０が平滑用コンデンサ１に蓄積された電荷を放電する際に発生した熱（図１に矢印で図示）を冷却するとともに、一対の直流バスバ電極２１，２２から放電抵抗器１０を介して伝わる熱（図１に矢印で図示）も冷却する。

一対の直流バスバ電極２１，２２の一端は、蓋６に設けられた開口部から外部へ延伸し、図示を省略した直流電源に接続される。一対の直流バスバ電極２１，２２は、図１及び図３に示すように、板状の金属部材であり、直流電源側はｚ軸方向に互いに平行に延伸し、筐体７内で直角に折れ曲がって平滑用コンデンサ１までｘ軸方向に互いに平行に延伸する。

放電抵抗器１０は、図１及び図３に示すように、平滑用コンデンサ１に蓄積された電荷を放電するための絶縁体で覆われた放電抵抗素子４と、一対の直流バスバ電極２１，２２から放電抵抗素子４までを繋ぐ一対の金属製バスバ電極３１，３２とを備える。一対の金属製バスバ電極３１，３２は、銅又はアルミニウム等の板状の金属材料からなる剛体である。なお、本明細書における「剛体」とは、放電抵抗素子４を冷却器５に押しつけることができないハーネス等と区別して、放電抵抗素子４を冷却器５に押しつけることが可能な程度の剛性を有する固体を意味する。例えば、一対の金属製バスバ電極３１，３２の高さは１５０ｍｍ程度、幅は１５ｍｍ程度、厚さは１ｍｍ程度である。

一対の金属製バスバ電極３１，３２は、放電抵抗素子４に一端が接し、ｚ軸方向に延伸する本体部３１ａ，３２ａと、本体部３１ａ，３２ａの他端から折り曲がり、ｙ軸方向に互いの内側に延伸する接続部３１ｂ，３２ｂとをそれぞれ備える。例えば、本体部３１ａ，３２ａは、放電抵抗素子４に圧接により固定されている。一方、接続部３１ｂ，３２ｂは、圧接や溶接により一対の直流バスバ電極２１，２２に固定されていてもよく、ネジ等の固定具により一対の直流バスバ電極２１，２２に固定されていてもよい。なお、一対の直流バスバ電極２１，２２との接触面積を大きくするため接続部３１ｂ，３２ｂを有することが好ましいが、接続部３１ｂ，３２ｂがなく、本体部３１ａ，３２ａの他端が一対の直流バスバ電極２１，２２に固定されていてもよい。

放電抵抗素子４は、冷却器５の冷却プレート５１上に配置されている。放電抵抗素子４は、少なくともその一部が冷却器５の冷却プレート５１に直接接触（圧接）していることが好ましい。なお、放電抵抗素子４は、冷却プレート５１上に放熱グリス等を介して配置されてもよい。ここで、一対の直流バスバ電極２１，２２と一対の金属製バスバ電極３１，３２の接続部３１ｂ，３２ｂとの接続部分の中心Ｃ１と、放電抵抗素子４の重心Ｃ２とが、正投影面（ｚ軸方向）からみて略一致することが好ましい。

本発明の第１の実施形態に係る電力変換装置の組立作業時の一例においては、まず一対の直流バスバ電極２１，２２と一対の金属製バスバ電極３１，３２の接続部３１ｂ，３２ｂとを互いに固定してから、これの本体部３１ａ，３２ａ側を冷却器５上に配置した放電抵抗素子４に押しつけることにより、放電抵抗素子４を冷却器５上に固定する。この際、一対の金属製バスバ電極３１，３２と放電抵抗素子４とが剛体同士の接続となるので、放電抵抗素子４を冷却器５に押し付けて固定させることができる。したがって、一対の直流バスバ電極２１，２２と放電抵抗素子４とを細く柔らかいハーネスで接続する場合と比較して作業が容易となり、放電抵抗素子４を冷却器５に固定するのに要する作業時間を短縮することができる。また、ロボットによる自動組立の場合においては、一対の直流バスバ電極２１，２２と一対の金属製バスバ電極３１，３２とのセットを放電抵抗素子４に対して押し当てればよいので、ハンドリングが容易となる。

また、一対の直流バスバ電極２１，２２と放電抵抗素子４とを細く柔らかいハーネスで接続する場合と比較して、放電抵抗素子４を冷却器５に押し付けることができるので、冷却効果を向上させることができ、放電抵抗素子４の温度上昇をより低減することができる。

これに関して、図４（ａ）に、本発明の実施形態に係る金属製バスバ電極３１を使用した場合の温度分布の測定結果を示し、図４（ｂ）に、比較例として、金属製バスバ電極３１の代わりにハーネス３１ｘを使用した場合の温度分布の測定結果を示す。図４（ａ）において、直流バスバ電極２１の温度は６６．５℃、冷却器５の温度は４８℃であり、直流バスバ電極２１の損失は１１Ｗ、金属製バスバ電極３１の損失は０Ｗ、放電抵抗素子４の損失は２．７Ｗである。

一方、図４（ｂ）の比較例においては、直流バスバ電極２１の温度は８０．５℃、冷却器５の温度は４８℃であり、直流バスバ電極２１の損失は１１Ｗ、ハーネス３１ｘの損失は０Ｗ、放電抵抗素子４の損失は２．７Ｗである。図４（ａ）及び図４（ｂ）から、本発明の実施形態に係る金属製バスバ電極３１を使用した場合の方が、図４（ｂ）に示した比較例よりも、直流バスバ電極２１の温度が１４℃低減していることが分かる。

本発明の第１の実施形態によれば、一対の直流バスバ電極２１，２２と放電抵抗素子４との間に一対の金属製バスバ電極３１，３２を配置し、一対の金属製バスバ電極３１，３２により放電抵抗素子４を冷却器５に押しつけて固定することにより、ハーネスのような柔らかい部品を組み付ける場合と比較して、作業時間の短縮を図ることができるとともに、ロボットを使用した自動化組立も容易となり、生産コストを低減することができる。

また、一対の直流バスバ電極２１，２２に電子部品として平滑用コンデンサ１を接続することにより、平滑用コンデンサ１に蓄積された電荷を放電抵抗器１０により放電するとともに、平滑用コンデンサ１で発生した熱を放電抵抗器１０を介して放熱させることができる。

また、放電抵抗素子４の少なくとも一部が冷却器５に直接接触することにより、冷却効果が向上し、高温となる一対の直流バスバ電極２１，２２、一対の金属製バスバ電極３１，３２及び放電抵抗素子４の温度上昇を低減することができる。したがって、筐体７の内部雰囲気温度を低減可能となるとともに、一対の直流バスバ電極２１，２２及び一対の金属製バスバ電極３１，３２の板厚を薄くでき、部品費の低減及び軽量化を図ることができる。

また、一対の直流バスバ電極２１，２２と一対の金属製バスバ電極３１，３２の接続部３１ｂ，３２ｂとの接続部分の中心Ｃ１と、放電抵抗素子４の重心Ｃ２とが、正投影面からみて略一致することにより、組立時に一対の金属製バスバ電極３１，３２を放電抵抗素子４に押しつけたときに放電抵抗素子４が固定しやすく、組み付け作業がより容易となる。

（第２の実施形態）
本発明の第２の実施形態に係る電力変換装置は、図５に示すように、放電抵抗器１０の一対の金属製バスバ電極３１，３２のそれぞれに、１点の屈曲点Ｐ１，Ｐ２を設けている点が、本発明の第１の実施形態に係る電力変換装置と異なる。本発明の第２の実施形態に係る電力変換装置の他の構成は、本発明の第１の実施形態に係る電力変換装置と同様であるので、重複した説明を省略する。

図５では、一対の金属製バスバ電極３１，３２の本体部３１ａ，３２ａのそれぞれに１点の屈曲点Ｐ１，Ｐ２を設けた場合を示すが、本体部３１ａ，３２ａに設けられる屈曲点Ｐ１，Ｐ２の数は限定されない。例えば、一対の金属製バスバ電極３１，３２の本体部３１ａ，３２ａのそれぞれに２点以上の屈曲点を設けていてもよい。また、一対の金属製バスバ電極３１，３２の本体部３１ａ，３２ａが屈曲点Ｐ１，Ｐ２によりｙ軸方向に対して屈曲する角度は適宜設定可能である。なお、図５では本体部３１ａ，３２ａが内側に屈曲しているが、外側に屈曲していてもよい。

図６に示すように、放電抵抗素子４又は一対の直流バスバ電極２１，２２を経由した平滑用コンデンサ１からの熱により、一対の金属製バスバ電極３１，３２が熱膨張してバネ構造となる。このため、冷却器５へ放電抵抗素子４を強く押付けることができる。なお、図６では、熱膨張による押付け反力を矢印で模式的に示す。更には、一対の金属製バスバ電極３１，３２の一部に屈曲点Ｐ１，Ｐ２を設けることにより、屈曲点Ｐ１，Ｐ２が熱応力を吸収して応力緩和することができる。

本発明の第２の実施形態によれば、本発明の第１の実施形態と同様に、一対の直流バスバ電極２１，２２と放電抵抗素子４との間に一対の金属製バスバ電極３１，３２を配置し、一対の金属製バスバ電極３１，３２により放電抵抗素子４を冷却器５に押しつけて固定することにより、ハーネスのような柔らかい部品を組み付ける場合と比較して、作業時間の短縮を図ることができるとともに、ロボットを使用した自動化組立も容易となり、生産コストを低減することができる。

また、本発明の第２の実施形態によれば、一対の金属製バスバ電極３１，３２の一部に１点以上の屈曲点Ｐ１，Ｐ２を設けることにより、冷却器５へ放電抵抗素子４を強く押付けることができるとともに、屈曲点Ｐ１，Ｐ２が熱応力を吸収して応力緩和することができる。更には、振動応力を緩和することができ、車体マウント、駆動用モータに固定されるインバータにおける耐車載振動性を向上させることができる。

（第３の実施形態）
本発明の第３の実施形態に係る電力変換装置は、図７に示すように、一対の金属製バスバ電極３１，３２の高さＨと、一対の金属製バスバ電極３１，３２と放電抵抗素子４との固定点間の距離（換言すれば、一対の金属製バスバ電極３１，３２が並ぶ方向（ｙ軸方向）の幅）Ｗとが、下記式（１）を満たす関係となるように規定される点が、本発明の第２の実施形態と異なる。

Ｈ＜Ｗ×３．５ …（１）

即ち、一対の金属製バスバ電極３１，３２と放電抵抗素子４との固定点間の距離Ｗに対する一対の金属製バスバ電極３１，３２の高さＨの比率を３５０％未満とする。例えば、一対の金属製バスバ電極３１，３２の高さＨを１４８ｍｍ、一対の金属製バスバ電極３１，３２と放電抵抗素子４との固定点間の距離Ｗを４２ｍｍに規定することにより、比率Ｗ／Ｈは２３６％となる。本発明の第３の実施形態に係る電力変換装置の他の構成は、本発明の第２の実施形態に係る電力変換装置と同様であるので、重複した説明を省略する。

図８は、インバータが搭載されるエンジンルーム内における車両からの入力振動を表すパワースペクトル密度（ＰＳＤ）波形を示す。図８の横軸はインバータの振動周波数を示し、縦軸は車両から受ける振幅を示す。図８に示すＰＳＤ波形において、エンジンルーム内に搭載される部品は、振動周波数が１００Ｈｚ以上であれば、振幅が極めて小さい値となる。このため、インバータ内の構成部品は、固有値を１００Ｈｚ以上とすることが望ましい。

ここで、図９（ａ）〜図９（ｃ）に、一対の金属製バスバ電極３１，３２と放電抵抗素子４との固定点間の距離Ｗを４２ｍｍで固定し、一対の金属製バスバ電極３１，３２の高さＨを１５ｍｍ、４０ｍｍ、１４８ｍｍと変化させた放電抵抗器１０のモデルＡ、Ｂ、Ｃを示す。図９（ａ）〜図９（ｃ）のモデルＡ、Ｂ、Ｃにおいて、一対の金属製バスバ電極３１，３２と放電抵抗素子４との固定点間の距離Ｗに対する一対の金属製バスバ電極３１，３２の高さＨの比率Ｈ／Ｗはそれぞれ、３５％、９４％、２３６％である。

図１０は、一対の金属製バスバ電極３１，３２と放電抵抗素子４との固定点間の距離Ｗに対する一対の金属製バスバ電極３１，３２の高さＨの比率Ｈ／Ｗと固有振動数の相関を示す。図１０に示すように、一対の金属製バスバ電極３１，３２と放電抵抗素子４との固定点間の距離Ｗに対する一対の金属製バスバ電極３１，３２の高さＨの比率を、３５０％未満とすることで、車両からの振動入力に対し、共振を避けられる固有振動数１００Ｈｚ以上とすることができる。

本発明の第３の実施形態によれば、本発明の第１及び２の実施形態と同様に、一対の直流バスバ電極２１，２２と放電抵抗素子４との間に一対の金属製バスバ電極３１，３２を配置し、一対の金属製バスバ電極３１，３２により放電抵抗素子４を冷却器５に押しつけて固定することにより、ハーネスのような柔らかい部品を組み付ける場合と比較して、作業時間の短縮を図ることができるとともに、ロボットを使用した自動化組立も容易となり、生産コストを低減することができる。

また、本発明の第２の実施形態と同様に、一対の金属製バスバ電極３１，３２の一部に１点以上の屈曲点Ｐ１，Ｐ２を設けることにより、冷却器５へ放電抵抗素子４を強く押付けることができるとともに、屈曲点Ｐ１，Ｐ２が熱応力を吸収して応力緩和することができる。更には、振動応力を緩和することができ、車体マウント、駆動用モータに固定されるインバータにおける耐車載振動性を向上させることができる。

また、本発明の第３の実施形態によれば、一対の金属製バスバ電極３１，３２と放電抵抗素子４との固定点間の距離Ｗに対する一対の金属製バスバ電極３１，３２の高さＨの比率を３５０％未満とすることで、車両振動入力に対し共振しないよう最適化することができ、所望の耐車載性を得ることができる。

（その他の実施形態）
上記のように、本発明の第１〜第３の実施形態を記載したが、この開示の一部をなす論述及び図面はこの発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施の形態、実施例及び運用技術が明らかとなろう。

例えば、一対の金属製バスバ電極３１，３２の形状は、放電抵抗素子４を冷却器５に押しつけることが可能であれば特に限定されない。例えば、図３では一対の金属製バスバ電極３１，３２の接続部３１ｂ，３２ｂが内側に向かって延伸する場合を示したが、外側に向かって延伸していてもよい。

また、本発明の第１〜第３の実施形態においては、電子部品１が平滑用コンデンサである場合を説明したが、電子部品１が他の部品であってもよい。

１，１０１…電子部品（平滑用コンデンサ）
４…放電抵抗素子
５…冷却器
６…蓋
１０…放電抵抗器
２１，２２…直流バスバ電極
３１，３２…金属製バスバ電極
５１…冷却プレート
５２…冷却水路
５３…冷却フィン
７１〜７５…固定具
１００…直流電源
１０２…放電抵抗
１０３…三相交流モータ
１０４…制御回路
１１１〜１１６…半導体モジュール
１２１…スイッチング素子
１２２…保護ダイオード

Claims (6)

1. 直流電源の正極側及び負極側にそれぞれ接続される一対の直流バスバ電極と、
   前記一対の直流バスバ電極に電気的に接続した電子部品と、
   前記電子部品に蓄積された電荷を放電する放電抵抗素子と、
   前記放電抵抗素子に熱的に接触した冷却器と、
   前記一対の直流バスバ電極と前記放電抵抗素子との間に配置され、前記放電抵抗素子を前記冷却器に押しつけて固定する一対の金属製バスバ電極
   とを備えることを特徴とする電力変換装置。
2. 前記一対の金属製バスバ電極のそれぞれが屈曲点を有することを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
3. 前記一対の金属製バスバ電極と前記放電抵抗素子との固定点間の距離に対する前記一対の金属製バスバ電極の高さの比率を３５０％未満とすることを特徴とする請求項１又は２に記載の電力変換装置。
4. 前記一対の直流バスバ電極に電気的に接続された平滑用コンデンサを更に備えることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の電力変換装置。
5. 前記放電抵抗素子と前記冷却器とが直接接触することを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の電力変換装置。
6. 前記一対の金属製バスバ電極と前記一対の直流バスバ電極との接続部の中心と、前記放電抵抗素子の重心とが、正投影面からみたときに略一致することを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の電力変換装置。

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