JP7526672B2 - 車両用の電力変換装置、および車両 - Google Patents

Description

本発明は、冷却媒体がその中を通り過ぎて流れることができる冷却構造と、バスバー配列を有する中間回路コンデンサとを備える車両用の電力変換装置に関する。また、本発明は、車両に関する。

このような車両用の電力変換装置は、ＵＳ ２０１２／０２５０３８４ Ａ１（特許文献１）から知られており、これには、複数のスイッチ素子と、直流電力を平滑化するコンデンサと、ベースプレートとを有するインバータ装置が開示されている。複数のスイッチ素子は、ベースプレートの素子配置面上に配置され、ベースプレートの素子配置面とは反対側に熱消散フィンが設けられている。コンデンサは、コンデンサ素子と、コンデンサのハウジングエリアにおいて絶縁材に埋め込まれたコンデンサバスバーとを有する。コンデンサは、エアフローによって冷却される。

米国特許出願公開第２０１２／０２５０３８４号明細書

しかし、電力変換装置が車両内に封じ込められ、周囲の影響から保護されている場合には、エアフローによって中間回路コンデンサを冷却することはできない。さらに、熱消散が悪いと、高電力要求時に過熱し、その結果、中間回路コンデンサの熱故障につながる可能性があるため、このようなコンデンサの熱消散挙動を改善する必要がある。

従って、本発明の目的は、車両用の電力変換装置における中間回路コンデンサの改善された冷却を記載することである。

本発明によれば、この目的は、冒頭に述べた種類の電力変換装置であって、熱を伝導する熱伝導手段によって少なくとも部分的に中間回路コンデンサからの熱を消散する目的でバスバー配列が冷却構造に熱伝導的に接続されている電力変換装置によって、達成される。

本発明は、従来の中間回路コンデンサは、特に絶縁材に埋め込まれた中間回路コンデンサの場合には、埋め込み用コンパウンドによって追加の断熱材が提供されるが、冷却媒体との熱的接続が悪いだけであるという知見に基づいている。本発明は、この目的のために、中間回路コンデンサのバスバー配列を冷却構造に熱伝導手段を介して熱的に接続し、バスバー配列の典型的に良好な熱伝導率を、バスバー配列を通る電流の流れによって発生する熱と中間回路コンデンサの内部からの熱との両方の消散のために使用することを提案する。

したがって、従来の電力変換装置の場合のように、中間回路コンデンサを外部から冷却するのではなく、熱が発生した箇所から熱伝導手段を介して冷却構造に、熱が伝導されることが有利である。これにより、中間回路コンデンサの熱消散挙動が大幅に改善され、高電力および高温を適用しても使用の可能性が開け、また、そのような適用での耐用年数が延長される。

本発明に従った電力変換装置の第１の好ましい実施形態によれば、熱伝導手段は、それによってバスバー配列を冷却構造に直接に接続する、熱を伝導する熱伝導ペーストである。このようにして、バスバー配列と冷却構造との間の特に短い熱伝達経路を実現することができる。なぜなら、隙間を埋める材料として機能する熱伝導ペーストのみが、熱伝導手段として使用されるからである。

第２の好ましい実施形態によれば、熱伝導手段は、熱を伝導する熱伝導プレートを含み、この熱伝導プレートを介してバスバー配列が冷却構造に接続されてもよい。熱伝導プレートは、設計の結果として生じる、バスバー配列と冷却構造との間の距離を、有利に橋渡しするために使用されてもよい。熱伝導プレートは、好ましくは金属製である。もちろん、この場合も、熱伝導手段は、バスバー配列と熱伝導プレートとの間および／または熱伝導プレートと冷却構造との間に配置される熱伝導ペーストを含んでもよい。

本発明に従った電力変換装置の場合、バスバー配列が絶縁手段を有し、この絶縁手段によってバスバー配列が熱伝導手段から電気的に絶縁されることも、有利に提供され得る。これにより、従来の絶縁材に埋め込まれたバスバー配列の場合と同様に、十分な電気的絶縁が可能となる。絶縁手段は、好ましくは絶縁箔から形成される。

バスバー配列は、１つの空間方向に延在し、その上に熱伝導手段が配置される第１のバスバー部分と、他の空間方向に延在する第２のバスバー部分とを有する少なくとも１つのバスバー要素を含んでもよい。したがって、第１のバスバー部分は、バスバー配列が熱的に接続されている冷却構造の表面に平行に延在してもよい。第２のバスバー部分は、好ましくは、第１のバスバー部分に垂直に延在し、特に、電力変換素子の他の素子と電気的に接触している。第１のバスバー部分と第２のバスバー部分との間に、特に曲げられた、接続部分を備える。典型的には、第２のバスバー部分および／または接続部分は、冷却構造および／または熱伝導構造に接しない。さらに、冷却構造は、その中に、またはその中を通って第２のバスバー部分が延在する貫通開口部を有してもよい。

本発明に従った電力変換装置の場合、中間回路コンデンサは、ハウジングと、ハウジング内に少なくとも部分的に収容されバスバー配列と電気的に接触するコンデンサ構造と、を有してもよい。コンデンサ構造は、例えば、１つ以上の巻かれたもの、特に箔のかまれたものから形成される。

特に第１の好ましい実施形態では、熱伝導手段と、熱伝導手段に接続されたバスバー配列の一部分は、ハウジングの外側に配置されてもよい。この場合、コンデンサ構造は、開口部から突出してもよい。そうすると、冷却構造は凹部を有し、この凹部の中に、バスバー配列およびコンデンサ構造が突出する。この場合、コンデンサ構造は、絶縁材に埋め込まれてもよい。したがって、本発明に従う電力変換装置を用いて、絶縁材に埋め込まれた中間回路コンデンサの機械的に有利な特性、例えば良好な電気絶縁性および高い耐候性、例えば高湿度に対する耐性も達成できる。

特に、第２の好ましい実施形態に関して、バスバー配列と、コンデンサ構造と、バスバー配列に直接には接続されていない熱伝導手段の一部分とが、ハウジング内において絶残材に埋め込まれてもよい。好ましくは、第１のバスバー部分は完全に絶残材に埋め込まれる。この場合、熱伝導手段は、ハウジングの端面と実質的に面一になっていてもよい。

好ましくは、ハウジングは、冷却構造に取り付けられている。これは、例えば、フランジ接続によって達成される。

さらに、本発明に従った電力変換装置は、冷却構造のハウジングとは反対側に配置されたパワーユニットを有してもよい。冷却構造は、特に、パワーユニットを収容する電力変換器ハウジングを形成する。

また、本発明に従った電力変換装置の場合、冷却媒体としての冷却液のために、少なくとも１つの冷却流路が冷却構造に設けられてもよい。したがって、冷却流体、特に冷却液は、有利なことに、特に高いレベルの熱消散を可能にする。少なくとも１つの冷却流路は、閉じた冷却回路の一部であってもよい。

さらに、本発明は、車両、特に電気自動車またはハイブリッド車であって、車両を駆動するための電気機械と、電気機械に電力を供給するための本発明に従った電力変換装置とを備える車両に関する。

本発明に従った電力変換装置のすべての実施形態は、本発明に従った車両に相似的に転換されてもよく、したがって、上述の利点は、後者でも達成されてもよい。

本発明のさらなる利点および詳細は、以下に記載された図面に示されている。これらは概略的な表現であり、以下の図を示している。

図１は本発明に従った第１の実施形態の電力変換装置の断面図である。 図２は本発明に従った第２の実施形態の電力変換装置の断面図である。 図３は本発明に従った一実施形態の車両の基本的な略図である。

図１は、第１実施形態の電力変換装置１の断面図である。電力変換装置１は、冷却媒体がその中を通り過ぎて流れることができる冷却構造２と、バスバー配列４を有する中間回路コンデンサ３とを備え、バスバー配列４は、熱を伝導する熱伝導手段５によって中間回路コンデンサ３からの熱を部分的に消散させる目的で冷却構造２に熱伝導的に接続されている。

第１の実施形態では、熱伝導手段５は、熱を伝導する熱伝導ペースト６であり、熱伝導ペースト６によってバスバー配列４が冷却構造に直接に接続されている。さらに、バスバー配列４は、絶縁箔の形態の絶縁手段７を有しており、絶縁手段７により、バスバー配列４が熱伝導手段５から電気的に絶縁されている。

バスバー配列４は、２つのバスバー要素８，９を含み、それぞれが空間方向Ｘに延在する第１のバスバー部分１０と、空間方向Ｚに延在する第２のバスバー部分１１と、バスバー部分１０，１１を連結する丸みを帯びた形状の連結部分１２とを有している。熱伝導手段５は、第１バスバー部分１０の上に平らに配置されている。したがって、両者は、ＸＹ面内に延在している。熱伝導手段は、絶縁手段７の上に直接横たわっている。第２のバスバー部分１１は、冷却構造２にも熱伝導手段５にも接触せず、冷却構造２の貫通開口部１３を通って案内されている。

中間回路コンデンサ３は、ハウジング１４と、フィルムを巻いた形態の２つのコンデンサ構造１５，１６とを有している。バスバー要素８，９は、コンデンサ構造１５，１６の同様の極と電気的に接触する。さらに、コンデンサ構造１５，１６の他の極は、さらなるバスバー要素１７，１８によって接触され、貫通開口部１３を通り過ぎてバスバー要素８，９の間に導かれる。一方のバスバー要素８，１７および他方のバスバー要素９，１８は、互いに絶縁されており、ねじ接続部１９によって互いに固定されている。

コンデンサ構造１５，１６は、ハウジング１４またはその開口部から明確に突出し、その結果、バスバー配列４、熱を伝導する媒体６および絶縁手段７は、ハウジング１４の外側に位置する。さらに、フレーム２０が、ハウジング１４内に配置され、また、開口部から突出している。冷却構造２に凹部２１が形成され、この凹部にコンデンサ構造１５，１６とフレーム２０とが突出している。ハウジング１４とフレーム２０とによって区切られた容積は、キャスティングコンパウンド２２で密封され、これはまた、熱伝導媒体６（ここではｘｚ平面内）との平らな接続に垂直に横たわる第１バスバー部分１０内の部分を取り囲むようになっている。

また、電力変換装置１は、冷却構造２のハウジング１４とは反対側に配置されたパワースイッチ素子配列２３，２４を含むパワーユニット２５を備えている。この点において、冷却構造２も、電力変換器ハウジングの一部を形成し、冷却媒体としての冷却液が流れる多数の冷却流路（図示せず）が冷却構造２を貫通している。冷却流路は、パワーユニット２５と中間回路コンデンサ３の両方を冷却するための閉じた冷却回路の一部である。

図２は、第２実施形態の電力変換装置１の断面図であり、中間回路コンデンサ３の周囲の領域のみが示されており、電力変換装置１のさらなる部分は第１実施形態と同様に設計されている。

第２の実施形態は、熱伝導手段５が、熱を伝導する金属製の熱伝導プレート２６をさらに備え、バスバー配列４と熱伝導プレート２６との間に熱伝導ペースト６の層が配置され、熱伝導プレート２６と冷却構造２との間に熱伝導ペースト６の層が配置されている点で、第１の実施形態とは異なる。さらに、第１バスバー部１０、連結部１２、絶縁手段７および熱伝導プレート２６は、ハウジング１４の内部に配置されている。ハウジング１４の開口部の端面２７は、熱伝導プレート２６と面一になっている。フレーム２２および凹部２１は省略されている。ハウジング１４によって区切られた容積は、ポッティングコンパウンド２２で満たされており、このポッティングコンパウンド２２はまた、第１のバスバー部分１０との平面的な接続に垂直な（ここではｘｚ平面内の）熱伝導プレート２６内の部分を囲む。

他のすべての点において、第１の実施形態に関連するコメントは、第２の実施形態に移されてもよい。

図３は、車両２８の一実施形態の基本的な略図である。車両２８は、車両２８を駆動するように構成された電気機械２９と、上述した実施形態の１つに従う電力変換装置１とを備える。電力変換装置１は、電気機械２９に電力を供給するように設計されており、電力変換装置１によって、高電圧バッテリ３０によって供給される直流電圧が、多相の交流電圧に変換されてもよい。したがって、車両２８は、電気自動車またはハイブリッド車である。

２ 冷却構造
３ 中間回路コンデンサ
４ バスバー配列
５ 熱伝導手段
６ 熱伝導ペースト
７ 絶縁手段
８，９ バスバー要素
１０，１１ バスバー部分
１４ ハウジング
１５，１６ コンデンサ構造
２５ 電源ユニット
２６ 熱伝導プレート
２８ 車両
２９ 電気機械

Claims (12)

1. 冷却構造（２）と、中間回路コンデンサ（３）とを備え、冷却媒体が前記冷却構造（２）の中を通り過ぎて流れることができる、車両（２８）用の電力変換装置（１）であって、
   前記中間回路コンデンサ（３）は、ハウジング（１４）と、前記ハウジング（１４）内に少なくとも部分的に収容される２つのコンデンサ構造（１５，１６）と、バスバー配列（４）と、を含み、
   前記バスバー配列（４）は、２つのバスバー要素（８，９）を含み、
   前記バスバー要素（８，９）それぞれが、１つの空間方向に延在する第１のバスバー部分（１０）と、他の空間方向に延在する第２のバスバー部分（１１）と、を有し、
   前記バスバー要素（８，９）は、前記コンデンサ構造（１５，１６）の同極に電気的に接続され、
   前記冷却構造（２）は、貫通開口部（１３）を有し、
   前記バスバー要素（８，９）それぞれの前記第２のバスバー部分（１１）が、前記貫通開口部（１３）の中に、または、前記貫通開口部（１３）を通り過ぎて延在し、
   熱を伝導する熱伝導手段（５）によって少なくとも部分的に前記中間回路コンデンサ（３）から熱を消散させる目的で前記バスバー配列が前記冷却構造（２）に熱伝導的に接続され、
   前記熱伝導手段（５）は、前記バスバー要素（８，９）それぞれの前記第１のバスバー部分（１０）に配置され、
   前記コンデンサ構造（１５，１６）の他の極は、さらなるバスバー要素（１７，１８）によって接触され、前記貫通開口部（１３）を通り過ぎてバスバー要素（８，９）の間に導かれる、電力変換装置。
2. 前記熱伝導手段（５）は、熱を伝導する熱伝導ペースト（６）であり、前記熱伝導ペースト（６）によって前記バスバー配列（４）が前記冷却構造（２）に直接に接続されている、請求項１に記載の電力変換装置。
3. 前記熱伝導手段（５）は、熱を伝導する熱伝導プレート（２６）を含み、前記熱伝導プレート（２６）を介して前記バスバー配列（４）が前記冷却構造（２）に接続されている、請求項１に記載の電力変換装置。
4. 前記熱伝導手段（５）は、前記バスバー配列（４）と前記熱伝導プレート（２６）との間および／または前記熱伝導プレート（２６）と前記冷却構造（２）との間に配置された熱伝導ペースト（６）を含む、請求項３に記載の電力変換装置。
5. 前記バスバー配列（４）は、絶縁手段（７）を有し、前記絶縁手段を介して前記バスバー配列（４）が前記熱伝導手段（５）から電気的に絶縁されている、請求項１ないし４のいずれか一つに記載の電力変換装置。
6. 前記熱伝導手段（５）と、前記熱伝導手段（５）に接続された前記バスバー配列（４）の一部分とが、前記ハウジング（１４）の外側に配置されている、請求項１ないし５のいずれか一つに記載の電力変換装置。
7. 前記コンデンサ構造（１５，１６）が、前記ハウジング（１４）内において絶縁材に埋め込まれている、請求項１ないし６のいずれか一つに記載の電力変換装置。
8. 前記バスバー配列（４）と、前記コンデンサ構造（１５，１６）と、前記バスバー配列（４）に直接に接続されていない前記熱伝導手段（５）の一部分とが、ハウジング（１４）内において絶縁材に埋め込まれている、請求項１ないし５のいずれか一つに記載の電力変換装置。
9. 前記ハウジング（１４）が前記冷却構造（２）に固定されている、請求項１ないし８のいずれか一つに記載の電力変換装置。
10. 前記冷却構造（２）の前記ハウジング（１４）とは反対側に配置されたパワーユニット（２５）を備える、請求項１ないし９のいずれか一つに記載の電力変換装置。
11. 前記冷却媒体としての冷却液のために少なくとも１つの冷却流路が前記冷却構造（２）に形成されている、請求項１ないし１０のいずれか一つに記載の電力変換装置。
12. 車両（２８）を駆動するための電気機械（２９）と、
    前記電気機械（２９）に電力を供給するための、請求項１ないし１１のいずれか一つに記載の電力変換装置（１）と、
    を備える、車両（２８）。

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