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JP5496845B2 - 電動車両 - Google Patents
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JP5496845B2 - 電動車両 - Google Patents

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Description

本発明は、電動車両に関し、特に、電動車両を駆動する電動モータの通電を制御する電動車両用制御回路における放熱構造に関する。
電子部品の放熱構造としては、例えば電動アシスト自転車において、電子部品を収納した制御ボックス内で、発熱素子に対して制御ボックスの蓋に熱伝導シートを介して接触させて放熱させる構造が特許文献1に記載されている。
また、特許文献2には、電動カートのパワーモジュールを複数の層に分けて構成し、各層にそれぞれ素子を配置し、金属プレートを介して接続する構造が記載されている。
特開2005−174994号公報 特開2006−66895号公報
特許文献1においては、放熱性のある蓋に熱伝導シートを介して素子を接触させる構成は記載されているが、複数の素子を有する場合は、各素子を備えた全体構造についての放熱を考慮する必要がある。
特許文献2では、複数素子を積層板(金属プレート)に接続された構造が記載されているが、金属プレートごとに発熱体が実装され積層されているので、全体構造が大型化してしまうばかりか、発熱体同士が同一金属プレートに接続しており、パッケージ内において熱がこもる現象が生じるため、パッケージ単体で判断した場合、十分な放熱性が発揮されないという課題があった。
本発明は上記事情に鑑みて提案されたもので、電動車両を駆動源となる電動モータの通電を制御する制御回路において、制御回路が備える発熱素子の放熱を効果的に行う放熱構造を提供することを目的としている。
上記目的を達成するため請求項1の発明に係る電動車両は、放熱性基板(101)上に、絶縁接着剤(102)を介して、それぞれ配線が形成された複数の配線基板(103a,103b,103c)を積層配置してなる電動車両において、
最上面に位置する配線基板(103c)上面に形成された第1熱伝導部材(104)上に発熱素子(105)を実装し、
最下面に位置する配線基板(103a)下面に第2熱伝導部材(106)を形成し、
前記第1熱伝導部材(104)と第2熱伝導部材(106)は前記各配線基板(103)を貫通して穿孔されたスルーホール(107)内に配された第3熱伝導部材(108)を介して接触するとともに、
前記電動車両は、金属製のスイングアーム(30)の一端を車体に揺動自在に軸支され、他端に設けられた電動モータ(M)にて後輪を駆動する電動車両であって、前記スイングアーム(30)内に前記制御回路及び前記電動モータ(M)に電力を供給するバッテリ(56)を配置し、該制御回路は、車両前後方向で電動モータ(M)の前側に配置され、
前記制御回路は複数の基板を有する制御部(50)であり、該制御部(50)は制御信号用の素子が実装される制御基板(50a)と、発熱素子が実装される発熱基板(50b)及び、アルミ基板(50c)で構成されており、制御基板(50a)が前記複数の配線基板で構成され、
前記制御基板(50a)は、車両前後方向で発熱基板(50b)の前側に配置され、
前記発熱基板(50b)は、車両の前後方向で、前記バッテリ(56)と前記電動モータ(M)との中間位置に配置され、前記発熱基板(50b)は、前記スイングアーム(30)の壁部に取り付けられている
ことを特徴とする。
請求項2は、請求項1の電動車両において、前記第2熱伝導部材(106)は、発熱素子(105)が実装された位置に対応する部分を含む島状部で形成され、前記島状部に対してスリット(109)を隔てて周囲を囲む囲繞部(110)を形成し、前記囲繞部(110)をグランド電位としたことを特徴としている。
請求項3は、請求項1の電動車両において、前記配線基板(103)は電源が供給される電源線を備え、最上面に位置する配線基板(103c)上面に前記電源線の一方側(X)を形成し、最下面に位置する配線基板(103a)下面に電源線の他方側(Y)を形成し、中間層に信号線を形成したことを特徴としている。
請求項4は、請求項3の電動車両において、前記発熱素子(105)は半導体素子であるとともに、前記配線基板(103)は前記半導体素子を制御する信号線(113)を備え、前記信号線(113)は、前記電源線の電流方向の配線基板の上下層方向に対して直角方向の配線基板の水平面方向に配置することを特徴としている。
請求項1に記載の発明によれば、最上面に位置する配線基板(103c)上面に形成された第1熱伝導部材(104)により発熱素子(105)の熱を放熱させるとともに、第1熱伝導部材(104)の熱は、スルーホール(107)内に配された第3熱伝導部材(108)を伝わって第2熱伝導部材(106)に導かれて放熱性基板(101)から放熱されるので、多方面での効率よい放熱を行うことができる。
また、熱的に厳しいスイングアーム内にあって、電動モータの前側に配置することで電動モータの熱影響を避けながら更に制御回路での放熱性を高めることができる。
制御回路を複数の基板に分け、制御基板を複数の配線基板で積層することで、制御を司る基板の放熱性を向上させることができる。
制御信号用の素子が実装される制御基板(50a)を発熱素子が実装される発熱基板(50b)より前側に配置することで、結果、電動モータ(M)や発熱基板(50b)から遠い箇所に制御基板(50a)を配置することができ、他発熱部材からの影響を抑えることができ、更には制御基板(50a)自身でも放熱性の良い構成とすることでより放熱性を発揮することができる。
請求項2に記載の発明によれば、第1熱伝導部材(104)、第2熱伝導部材(106)第3熱伝導部材(108)が配線に兼用された電流が流れた場合、第2熱伝導部材(106)の島状部に対してスリット(109)を隔てて周囲を囲む囲繞部(110)が存在し、囲繞部(110)がグランド電位となることで、スリット(109)により第1熱伝導部材(104)側と第2熱伝導部材(106)の短絡を防止するための沿面距離を確保することができる。
また、発熱素子(105)の熱が基板の水平面の方向に伝熱することを防止し、他の部品への影響を抑えることができる。
請求項3に記載の発明によれば、電源線の+−の配線パターンを上下層で分け、対向配置させることにより、配線によるインダクタンス成分を小さくすることができる。
その結果、配線基板に配置される平滑コンデンサの容量を小さくできるので、基板面積が小さくなり、制御回路全体のコンパクト化を図ることができる。
請求項4に記載の発明によれば、電流方向に対して信号線(113)を直角に配することで、電源電流に対して微弱電流である信号線(113)へのノイズの影響を小さくすることができる。
電動車両用バッテリが搭載された電動二輪車の左側面図である。 電動車両用バッテリの実施形態の一例を示すもので、電動車両用バッテリが配置されたスイングアーム部分のカバーを外した状態を示す左側面図である。 図2の電動車両用バッテリが配置されたスイングアーム部分の上面図である。 スイングアームの分解斜視図である。 本発明の電動車両用制御回路(アルミ基板)の平面図である。 電動車両用制御回路において発熱素子が実装された部分を示すもので、(a)は平面図、(b)は(a)のA−A線断面図である。 モータ駆動に着目した電動車両用制御回路(アルミ基板)の簡易等価回路図である。 図7の電動車両用制御回路の部品面Aの一部分を示す平面図である。 図8に対応する電動車両用制御回路の信号線面Bの一部分を示す平面図である。 図9に対応する電動車両用制御回路の信号線面Cの一部分を示す平面図である。 図10に対応する電動車両用制御回路の放熱面Dの一部分を示す平面図である。
以下、図面を参照して本発明の好ましい実施の形態について詳細に説明する。図1は、本発明の一実施形態に係る電動二輪車1の側面図である。
電動二輪車1は、低床フロア16を有するスクータ型の鞍乗型車両であり、スイングアーム(ユニットスイング)30に収納された電動モータMによって後輪WRを駆動する。車体フレーム2の前部には、ステムシャフト(不図示)を回転自在に軸支するヘッドパイプ3が結合されている。ステムシャフトの上部には、ハンドルカバー11で覆われる操向ハンドル8が結合されており、一方の下部には、車軸7によって前輪WFを回動自在に軸支する左右一対のフロントフォーク6が結合されている。
車体フレーム2は、ヘッドパイプ3の後部から下方に延びるメインパイプ4と、該メインパイプ4の後端部に連結されて車体後部上方へ延びるリヤフレーム5とを備える。低床フロア16の下部に位置するメインパイプ4には、低床フロア16を支持するフロアフレーム15が取り付けられている。また、メインパイプ4とリヤフレーム5との結合部には、左右一対のピボットプレート17が取り付けられている。
スイングアーム30は、車幅方向左側のみにアーム部を有する片持ち式であり、ピボットプレート17に取り付けられたリンク18を貫通する揺動軸19を介して、車体フレーム2に揺動自在に軸支されている。スイングアーム30は、アルミ等の金属からなる一部中空構造体であり、車軸32の近傍に電動モータMが収納されると共に、電動モータMの車体前方には、制御装置としての基板(制御部)50が配設されている。電動モータMに電力を供給するバッテリ56(図3参照)は、基板(制御部)50の車幅方向右側に配設されている。
後輪WRは、車軸32によってスイングアーム30に回転自在に軸支されており、スイングアーム30の後端部は、リヤクッション26を介してリヤフレーム5に吊り下げられている。また、シート20の下部には、ヘルメットや荷物入れスペースとなる収納ボックス21が、左右一対のリヤフレーム5に挟まれるように配設されている。
車体フレーム2のメインパイプ4は、車体前方側のフロントカウル13および車体後方側のレッグシールド12で覆われている。ハンドルカバー11の上部には、メータ装置9が配設されており、メータ装置9の車体前方側には前照灯10が取り付けられている。フロントフォーク6の上部には、前輪WFを覆うフロントフェンダ14が固定されている。
リヤフレーム5の車幅方向外側はシートカウル23で覆われており、シートカウル23の後端部には尾灯装置24が取り付けられている。尾灯装置24の上方には、リヤフレーム5に結合されたリヤキャリア22が突出しており、尾灯装置24の下方には、後輪WRの後方上方を覆うリヤフェンダ25が設けられている。
図2は、電動車両用バッテリを搭載するスイングアーム30の拡大側面図である。また、図3はスイングアーム30の上面図であり、図4は、スイングアーム30の分解斜視図である。前記と同一符号は、同一または同等部分を示す。前記したように、スイングアーム30は、アルミ等の金属からなる一部中空構造体であり、後輪WRを車幅方向左側のアーム部39で支持する片持ち式とされる。スイングアーム30の車体前方側下部には、揺動軸19(図1参照)の貫通孔19aが形成された左右一対のピボットフランジ36が設けられている。
ピボットフランジ36の車体上方側には、複数のバッテリセル56が挿入される収納空間35が形成されており、この収納空間35の外殻部を形成する幅広ケース部38とアーム部39とは、湾曲部40を介して連続的に形成されている。収納空間35およびアーム部39の車幅方向左側には、基板(制御部)50および電動モータMを一体的に覆う薄板状のスイングアームカバー57が取り付けられている。
アーム部39の後端部には、電動モータMの回転を減速する減速機が収納された減速機ケース33,41が取り付けられている。車軸32は、減速機ケース41から車幅方向右側に向けて突出しており、この車軸32の端部に、後輪WRのホイール34がナット32aによって固定されている。後輪WRにはチューブレスタイヤが使用され、ホイール34にはエアバルブ42が設けられている。また、減速機ケース33には、リヤクッション26(図1参照)を取り付けるための貫通孔26aが形成された取付フランジ37が設けられている。
スイングアーム30の一端側の揺動軸近傍には、内部に方形状の収納空間35が一体的に形成されている。収納空間35は、スイングアーム30を電動車両に装着した場合に、電動車両の側方に収納空間35の開口側(開口部)が位置し、この開口側からバッテリ56を挿入可能なようになっている。
制御部50は、制御基板50aと発熱素子基板50bとアルミ基板50cとで構成され、バッテリ56とアルミ基板50cとの間には、所定の厚みを有するスポンジラバー501が配設されている。スポンジラバー501には、各バッテリセルの図示左端部に設けられた板状端子を差し込むための複数のスリットが形成されている。板状端子500を各スリットに挿入することで、板状端子の位置が規定されることとなる。また、スポンジラバー501によれば、後述するポッティング処理時のポッティング剤59の使用量を低減して、スイングアーム30の軽量化を図ることができる。アルミ基板50cは、このスポンジラバー501に近接配置されている。
制御基板50aには、制御信号用のほとんど発熱しない素子が実装されている。これに対し、大電流が流れて発熱する素子は、発熱素子基板50b及びアルミ基板50cに実装されている。そして、発熱素子の内、熱容量が大きいサーミスタ51、充電器用の入出力フィルタ群52、充電器力率改善用インダクタ53、充電器力率改善用コンデンサ54、DC出力用平滑コンデンサ55等は発熱素子基板50bに実装し、発熱素子の内、熱容量が小さい電子部品がアルミ基板50cに実装されている。
次に、本発明の電動車両に搭載される電動車両用制御回路であるアルミ基板50cの詳細構造について、図5〜図11を参照しながら説明する。
図5は、アルミ基板50c全体を上面から見たものであり、複数のFET(発熱素子)105が所望の位置に実装されている。
図5における発熱素子が実装された電動車両用制御回路の一部分は、図6に示すように、放熱性基板101上に、絶縁接着剤102を介して、積層された配線基板103を装着して形成されている。配線基板103は、それぞれ配線が形成された複数(3枚)の配線基板103a,103b,103cが積層されて構成されている。放熱性基板101は、伝導性が良好な部材、例えばアルミ基板で構成されている。
配線基板103の最上面に位置する配線基板103c上面には、第1熱伝導部材104が形成され、この上に複数のFET(半導体素子)105が実装されている。105aは、FET(半導体素子)105を配線基板103c上面に固定して実装するための端子を示している。
また、最下面に位置する配線基板103a下面に第2熱伝導部材106が形成されている。各配線基板は、ガラスエポキシ樹脂で構成され、第1熱伝導部材104及び第2熱伝導部材106は、ガラスエポキシ樹脂上にメッキ処理された熱伝導性及び導電性を有する所望パターンの銅箔で形成されている。
前記第1熱伝導部材104と第2熱伝導部材106は、前記各配線基板103を貫通して穿孔されたスルーホール107内に配された第3熱伝導部材108を介して接触している。第3熱伝導部材108は、スルーホール107の周囲の壁面に対して銅メッキ処理することで孔の内周に沿って形成されている。
第2熱伝導部材106は、配線基板103aの裏面において、配線基板103cの発熱素子105が実装された位置に対応する部分を含む方形状の島状部で構成され、この島状部に対してスリット(切れ込み)109を隔てて周囲を囲むように囲繞部110が形成される。囲繞部(110)は接地されることで、グランド電位となっている。
この構成により、第1熱伝導部材104、第2熱伝導部材106、第3熱伝導部材108が配線に兼用されて電流が流れた場合、第2熱伝導部材106の島状部に対してスリット109を隔てて囲繞部110が存在し、囲繞部110がグランド電位となることで、第1熱伝導部材104側と第2熱伝導部材106の短絡を防止するための沿面距離を確保することができる。
また、囲繞部110は、発熱素子105からの伝熱熱が水平面方向に伝わらないようにすることで、他の部品への影響を抑えることができる。
モータMの駆動に着目した電動車両用制御回路(アルミ基板)の簡易等価回路図は図7に示すようになり、各半導体のオン・オフを制御することにより電源線を介して電源電圧が供給されモータMが駆動される。この場合において、電源線の+側である配線Xは、配線基板103cの上面に配置された第1熱伝導部材104と同じ面に銅箔で形成され、第1熱伝導部材104に接続されている。
また、電源線の−側である配線Yは、配線基板103aの下面に配置された囲繞部110及び第2熱伝導部材106と同じ面に銅箔で形成され、囲繞部110及び第2熱伝導部材106はグランド電位に接続されている。配線Xと配線Yとは、スルーホール107に配された第3の熱伝導部材108により接続し、電気的接続と放熱通路とを兼用することで、配線基板の上下方向に駆動電流が流れる。
したがって、配線X,Yに対しては、スリット109を設けた囲繞部110が存在することにより、配線XとYの短絡を防止するための沿面距離を確保することができる。
また、電源線を異なる配線基板の各層に形成し、2層に分けて対向配置することにより、配線によるインダクタンス成分を小さくすることができる。また、インダクタンス成分を小さくすることにより、配線基板に実装する平滑コンデンサの容量も小さくすることができ、配線基板の基板面積も小さくすることができる。
図6における配線基板103は3枚で構成されるが、配線や熱伝導部材が形成される形成面は、配線基板103cの上面である部品面(電源線面)A,配線基板103bの上面である信号線面B,配線基板103aの上面である信号線面C,配線基板103aの下面である放熱面(GND線面)Dの4層で構成される。図6の一部分(配線基板103の上下において同一部分)を含む部品面A,信号線面B,信号線面C,放熱面Dの平面を示すと、図8〜図11のようになる。
図8の部品面(1層目)Aには、図5の一部(ほぼ丸印部分に相当する)であり、発熱素子105より一回り大きい方形状の第1熱伝導部材104に発熱素子105がそれぞれ実装されている。第1熱伝導部材104の周囲適宜位置には、スルーホール107にメッキ処理された複数の円状の第3熱伝導部材108が形成されている。
図9の信号線面(2層目)Bには、部品面(1層目)Aの第3熱伝導部材108に対応する位置に第3熱伝導部材108が形成されている。
図10の信号線面(3層目)Cには、信号線面(2層目)Bと同様に、部品面(1層目)Aの第3熱伝導部材108に対応する位置に第3熱伝導部材108が形成されている。
また、図9の信号線面(2層目)Bには、例えば2次側トランスの出力(+)の配線パターン111が、図10の信号線面(3層目)Cには、2次側トランスの出力(−)の配線パターン112がそれぞれ形成されている。配線パターン111,112が上下層で対向配置するように形成される構成により、配線パターンが近接し、ループによるインダクタンス成分を小さくすることができる。
また、信号線面(2層目)Bには、FETを制御する信号線113が形成されている。信号線113は、電源線(X,Y)の電流方向(図における裏面方向)に対して直角(図における紙面方向)に配置することで、信号線113と同じ平面に電源電流が流れないのでその影響が小さくなり、ノイズの影響を受けることを小さくすることができる。
図11の放熱面(4層目)Dには、放熱性基板(アルミ基板)101に対して絶縁樹脂を介して接触する第2熱伝導部材106が形成されている。また、信号線面(2層目)B及び信号線面(2層目)Bと同様に、部品面(1層目)Aの第3熱伝導部材108に対応する位置に第3熱伝導部材108が形成されている。
上述の構成によれば、発熱素子105の熱が発生すると、第1熱伝導部材104により発生熱を上面から放熱させるとともに、第1熱伝導部材104の熱は、スルーホール107内に配された第3熱伝導部材108を伝わって第2熱伝導部材106に導かれ、第2熱伝導部材106から絶縁接着剤102を介して放熱性基板101に伝熱し、放熱性基板101の下面から積極的に放熱される。
その結果、発熱素子105の発生熱に対して、多方面(上面及び下面)での効率よい放熱を行うことができる。
1…電動二輪車、 2…車体フレーム、 8…操向ハンドル、 9…メータ装置、 16…低床フロア、 19…揺動軸、 30…スイングアーム、 32…車軸、 35…収納空間、 38…幅広ケース部、 38a…貫通孔、 39…アーム部、 40…湾曲部、 44…ガイド溝、 45…塞栓、 50…基板(制御部)、 50a…制御基板、 50b…発熱素子基板、 50c…電動車両用制御回路、 56…バッテリ、 57…スイングアームカバー、 101…放熱性基板(アルミ基板)、 102…絶縁接着剤、 103a,103b,103c…配線基板、 104…第1熱伝導部材、 105…発熱素子(半導体素子)、 106…第2熱伝導部材(島状部)、 107…スルーホール、 108…第3熱伝導部材、 109…スリット、 110…囲繞部、 111,112…配線パターン、 113…信号線、 A…部品面、 B…信号線面、 C…信号線面、 D…放熱面、 M…電動モータ、 X,Y…配線(電源線)、 WR…後輪。

Claims (4)

  1. 放熱性基板(101)上に、絶縁接着剤(102)を介して、それぞれ配線が形成された複数の配線基板(103a,103b,103c)を積層配置してなる電動車両において、
    最上面に位置する配線基板(103c)上面に形成された第1熱伝導部材(104)上に発熱素子(105)を実装し、
    最下面に位置する配線基板(103a)下面に第2熱伝導部材(106)を形成し、
    前記第1熱伝導部材(104)と第2熱伝導部材(106)は前記各配線基板(103)を貫通して穿孔されたスルーホール(107)内に配された第3熱伝導部材(108)を介して接触するとともに、
    前記電動車両は、金属製のスイングアーム(30)の一端を車体に揺動自在に軸支され、他端に設けられた電動モータ(M)にて後輪を駆動する電動車両であって、前記スイングアーム(30)内に前記制御回路及び前記電動モータ(M)に電力を供給するバッテリ(56)を配置し、該制御回路は、車両前後方向で電動モータ(M)の前側に配置され、
    前記制御回路は複数の基板を有する制御部(50)であり、該制御部(50)は制御信号用の素子が実装される制御基板(50a)と、発熱素子が実装される発熱基板(50b)及び、アルミ基板(50c)で構成されており、制御基板(50a)が前記複数の配線基板で構成され、
    前記制御基板(50a)は、車両前後方向で発熱基板(50b)の前側に配置され、
    前記発熱基板(50b)は、車両の前後方向で、前記バッテリ(56)と前記電動モータ(M)との中間位置に配置され、前記発熱基板(50b)は、前記スイングアーム(30)の壁部に取り付けられている
    ことを特徴とする電動車両
  2. 前記第2熱伝導部材(106)は発熱素子(105)が実装された位置に対応する部分を含む島状部で形成され、前記島状部に対してスリット(109)を隔てて周囲を囲む囲繞部(110)を形成し、前記囲繞部(110)をグランド電位とした請求項1に記載の電動車両
  3. 前記配線基板(103)は電源が供給される電源線を備え、
    最上面に位置する配線基板(103c)上面に前記電源線の一方側(X)を形成し、最下面に位置する配線基板(103a)下面に電源線の他方側(Y)を形成し、中間層に信号線を形成した請求項1に記載の電動車両
  4. 前記発熱素子(105)は半導体素子であるとともに、前記配線基板(103)は前記半導体素子を制御する信号線(113)を備え、
    前記信号線(113)は、前記電源線の電流方向(配線基板の上下層方向)に対して直角(配線基板の水平面方向)に配置する請求項3に記載の電動車両
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