JP5650062B2 - 電力変換装置 - Google Patents

Description

本発明は、パワーモジュールと、モータジェネレータから延びる高圧ケーブルとパワーモジュールとを接続する高電圧端子台と、を有する電力変換装置に関し、特に高電圧端子台に電流センサを内蔵する車両用の電力変換装置に関する。

従来から、電気自動車、燃料電池自動車又はハイブリッド自動車において、バッテリの直流電力を交流電力に変換してモータジェネレータに供給することにより車両を駆動する電力変換装置が知られている。このような車両で使用されるモータジェネレータは三相交流モータを使用し、車両の電力変換装置は各相に流れる電流値を測定してその結果に基づいてモータジェネレータを制御する。

このような電力変換装置を搭載する車両は、搭載スペースが限られることから電力変換装置やモータジェネレータの小型化と共に、電力変換装置に設けられた端子台の小型化が進んでいる。例えば、特許文献１には、高圧ケーブルと同様な働きをする電流路と、電流路とパワーモジュールやモータジェネレータとを接続する接続端子と、接続端子が設けられた端子台と、を有し、電流センサを形成する環状コアの内側に電流路と接続端子を設けた電流センサ内蔵端子台が開示されている。

特開平１１−１２１０６７号公報

特許文献１の電流センサ内蔵端子台は、三相の電流路に接続端子を取り付け、電流路と接続端子とを取り囲むように環状の電流センサを配置することにより、小型化と従来と同様の配線作業性を確保している。しかしながら、特許文献１の電流センサ内蔵端子台では、電流路とパワーモジュールやモータジェネレータ等とを接続する組み付け時に接続端子の位置ずれ（公差）を吸収する構造がなく、公差を吸収することのできる公差吸収フローティング構造が別途必要であった。公差吸収フローティング構造は、公差を吸収して電流路と各端子とのスムーズな接続を実現するものであるが、公差を吸収する際に電流路と各接続端子に歪みが発生し、歪みを受ける端子台の強度アップや端子台を取り付ける電力変換装置の強度アップ等が必要となる。このため、公差吸収フローティング構造を含めた電流センサ内蔵端子台の小型化が困難であった。

そこで、本発明に係る電力変換装置は、電流路である端子台バスバと電流センサを一体的に構成することで小型化した高電圧端子台を有する電力変換装置を提供することを目的とする。

以上のような目的を達成するために、本発明に係る電力変換装置は、三相モータジェネレータから延びる各相高電圧ケーブルの各端子をパワーモジュールの各相端子にそれぞれ接続する高電圧端子台を有する車両用の電力変換装置において、高電圧端子台は、パワーモジュールの各相端子と各相高電圧ケーブルの各端子とをそれぞれ電気的に接続する少なくとも３つ以上の端子台バスバと、各端子台バスバのそれぞれについて、端子台バスバの一端とパワーモジュールの各相端子を締結し、各相高電圧ケーブルの各端子と端子台バスバの他端とを締結する端子台バスバの数と同じ数の締結具と、少なくとも２つ以上の端子台バスバについて端子台バスバを流れる電流を検出する少なくとも２つ以上の電流センサと、複数の端子台バスバ及び端子台バスバが貫通するように配置された複数の電流センサのそれぞれの底面側を保持し、隣接するバスバの間に磁界を遮るシールド板が配置された下部台と、下部台に保持された複数の端子台バスバ及び複数の電流センサのそれぞれの上面側を覆うようにして保持する上部台と、下部台と上部台を重ねて一体化して電力変換装置ケースに固定する締結手段と、を有することを特徴とする。

また、本発明に係る電力変換装置において、電流センサは、端子台バスバを囲んで高電圧端子台に配設された環状コアと、環状コア中に発生する磁界の大きさを検出する磁気センサと、を有することを特徴とする。

また、本発明に係る電力変換装置において、高電圧端子台は、電流センサを備えた端子台バスバと電流センサを省いた端子台バスバとにより構成されていることを特徴とする。さらに、各端子台バスバとの間には、磁界を遮るシールド板を設けている。

また、本発明に係る電力変換装置において、端子台バスバは、締結ボルトの長手方向と同じ方向となるように電流センサに配置され、パワーモジュールの各相端子と各相高電圧ケーブルの端子とを締結することを特徴とする。このような構成にすることで、断面積の大きなバスバを形成することができる。

また、本発明に係る電力変換装置において、端子台バスバは、締結具より抵抗値が低い材料で形成されていることを特徴とする。具体的には、締結具は鋼鉄製のボルトやナットであり、端子台バスバは、電極と同じ銅製又はアルミニウム製の中空円筒形又は矩形ブロックを使用する。

本発明に係る電力変換装置を用いることにより、端子台バスバ及び高電圧端子台に電流センサを一体的に構成することで高電圧端子台の小型化が可能となる。また、電流センサが高電圧端子台に固定されているので、パワーモジュールと高電圧端子台とを接続する部品を減らすことで電力変換装置のコスト低減が可能となる。また、端子台バスバが端子台に接続される部分に電流センサが配置されるので、比較的強度があり、端子台バスバの揺れを考慮する必要がないため更なる強度を高める必要がなく、電流センサの小型化が可能となる。

本発明の実施形態に係る電力変換装置であって、高電圧端子台に電流センサを内蔵する電力変換装置の構成を示す構成図である。 図１の電力変換装置の側面図である。 図１の高電圧端子台の組立て手順を説明する説明図である。 図１の高電圧端子台の内部構造の斜視図である。 図４の高電圧端子台における端子台バスバのその他の実施形態である。 本発明を理解する上で参考となる高電圧端子台の構成を示す構成図である。 図６の高電圧端子台の公差吸収フローティング構造を説明する説明図である。

以下、本発明を実施するための最良の形態（以下実施形態という）を、図面に従って説明する。

図１は高電圧端子台２０に電流センサを内蔵する電力変換装置１０の構成を示し、パワーモジュール３０と、高電圧ケーブル１６と、を接続する高電圧端子台２０を示している。電力変換装置１０は、電力変換装置ケース３１の中にパワーモジュール３０と電流センサを一体的に構成した高電圧端子台２０とを有している。以下、これらの構成について説明する。

パワーモジュール３０は、電力変換装置ケース３１およびＯリング１８で形成される水冷流路を有する樹脂冷却器２７と、樹脂冷却器２７の上の伝熱板２５と、伝熱板２５の上のパワーモジュール基板２４と、モールド樹脂２６によってモールドされたパワーモジュール素子２３と、を有し、パワーモジュール素子２３は樹脂冷却器２７と一体に形成され、パワーモジュール素子２３に接続されたパワーモジュール端子２１が高電圧端子台２０に延びている。また、パワーモジュール３０の上部には、これらを制御する制御基板３４が配置され、パワーモジュール３０の下部には、コンデンサ３２やリアクトル３３が配置されている。

高電圧端子台２０は、パワーモジュール端子２１とケーブル端子１４とを電気的に接続する端子台バスバ１２と、パワーモジュール端子２１とケーブル端子１４とを端子台バスバ１２に締結するための締結ボルト１３及び締結ナット２２と、端子台バスバ１２を囲むように環状コアを形成する電流センサ１１と、電流センサ１１を電力変換装置ケース３１に固定するためのインナスリーブ２９、下部台２８および上部台１９と、を有している。また、電流センサ１１が電力変換装置ケース３１に固定されると共に、締結ナット２２は樹脂冷却器２７に組み付けられ、パワーモジュール端子２１と端子台バスバ１２及びケーブル端子１４および締結ボルト１３が直線上に配置されていることにより端子台バスバ１２の揺れが発生せず、従来必要であった公差を吸収する構造を考慮する必要がない。

高電圧ケーブル１６は、ケーブル端子１４と、締結ボルト１３を挿入する方向と同じ方向にケーブル端子を押し込むことによって接続するケーブルオスコネクタ１５と、電力変換装置ケース３１に形成されたケーブル挿入孔６４を密閉するシール１７と、ケーブルオスコネクタ１５の蓋３８と、を有している。このような構造により、ケーブルオスコネクタ１５と高電圧端子台２０とパワーモジュール端子２１とは、直線上に配置され、締結ボルト１３及び締結ナット２２によって締結されることで端子台バスバ１２の揺れ及び各端子の公差を吸収している。

図２は図１の電力変換装置１０の側面図を示し、電力変換装置１０の側面に開口するケーブル挿入孔６４に配置された高電圧端子台２０を示している。本実施形態では、２台のモータジェネレータを１個の高電圧端子台２０で接続する構成であることから、各相を２つ連続させてＵＶＷを配置すると共にＵＷ相に電流センサ（１１ａ，１１ｂ，１１ｅ，１１ｆ）を搭載し、Ｖ相の端子台バスバ１２には電流センサ１１を搭載しない構成である。これは、三相交流のうち、２相を検出することで残り１相は計算により求めることができるためである。また、端子台バスバ１２は電流センサ１１に保持され、さらに電流センサ１１は下部台２８と上部台１９により保持され、下部台２８と上部台１９はボルト３７により電力変換装置ケース３１に固定されている。なお、電流センサ１１は、環状コアの切り欠き部に収容された磁気センサ（３５ａ，３５ｂ，３５ｅ，３５ｆ）を有し、環状コアは環状に形成された強磁性体であり、周方向の一カ所で切り離しされて切り離し端に一定のギャップが形成され、このギャップの中に磁気センサ３５が収容されている。

本実施形態で特徴的な事項は、高電圧端子台２０に端子台バスバ１２を直接配置するのではなく、高電圧端子台２０に電流センサ１１を配置し、その内部に端子台バスバを配置すると共に、軸方向で締結することにより端子台バスバ１２の揺れを防止したことである。このように電流センサ１１と端子台バスバ１２を一体的に構成することにより、端子台バスバ１２の揺れの低減及び電流センサ１１に加わる荷重を低減すると共に高電圧端子台２０の小型化が実現可能となる。次に、本発明に係る電力変換装置１０を理解する上で参考となる構成を概説する。

図６は参考となる電力変換装置４０における高電圧端子台５０の構成（以下、参考構成という。）を示し、図７は図６の高電圧端子台５０の公差吸収フローティング構造を示している。図６において、高電圧端子台５０は、パワーモジュール端子台４４、電流センサ４８、ケーブル端子台４９、及びこれらを接続するバスバ４７とケーブル端子５３により構成されている。高電圧ケーブル５６は電力変換装置１０のケーブル挿入孔６５に挿入され、ケーブル挿入孔６５を密閉するためのシール１７を有している。以下、これらの構成について説明する。

パワーモジュール４３は冷却器５８とパワーモジュール基板５７を有し、パワーモジュール端子台４４は締結ボルト４５によってバスバ４７が締結されている。図７に示すように、バスバ４７は電流センサ４８を貫通してケーブル端子台４９に延び、高電圧ケーブル５６からのケーブル端子５３とバスバ４７とは締結ボルト４６で締結されていることから、パワーモジュール端子台４４とバスバ４７の公差１と、ケーブル端子台４９とバスバ４７の公差２とを吸収させる構造が必要となる。ここで、電流センサ４８はバスバ４７を流れる電流に比例した磁界を磁気センサにて検出することから磁界の回り込みを避けるため所定の距離を保って配置することが必要であり、図６では、パワーモジュール端子台４４とケーブル端子台４９の間に電流センサ４８を配置している。

参考構成では、図７のパワーモジュール端子台４４とケーブル端子台４９との間に配置するバスバ４７の２つの公差を吸収する構造（公差吸収フローティング構造）が必要となり、バスバ４７が貫通する電流センサ４８が大きくなると共に、パワーモジュール端子台４４とケーブル端子台４９の高さと幅が大きくなっていた。また、参考構成では、高電圧ケーブル５６の取り付け時のボルト締めによる荷重や車両走行時の振動により加わる荷重等に耐えるようにパワーモジュール端子台４４、ケーブル端子台４９、電流センサ４８及び電力変換装置ケース等の剛性アップが必要となり、体格が大きくなるばかりでなくコストアップとなっていた。そこで、本発明に係る高電圧端子台２０では、電流センサ１１と端子台バスバ１２を一体的に構成することで小型化することにした。

図３は図１の高電圧端子台２０の組立て手順を示し、図３（Ａ）〜図３（Ｄ）を用いて高電圧端子台２０の構造を説明する。図３（Ａ）は一部切り欠きを設けた環状コアと磁気センサ３５を有する電流センサ１１を示し、電流センサ１１の内部にはインナスリーブ２９が挿入されている。磁気センサ３５には、ホール素子とホール素子に制御電流を供給する駆動回路とが内蔵され、信号ケーブル３６には、駆動回路に電源を供給する電源ラインと、ホール素子が検知した磁界と制御電流の積に比例した電圧を出力する出力ラインと、が設けられている。

図３（Ｂ）は図３（Ａ）のインナスリーブ２９に端子台バスバ１２を挿入した状態を示している。インナスリーブ２９は端子台バスバ１２と環状コアとの間隔を保持するだけでなく、端子台バスバ１２によって発生する磁界を効率良く伝達する機能を有している。また、図３（Ｃ）は、端子台バスバ１２を保持する電流センサ１１とシールド板６１とを下部台２８に配置した状態を示している。シールド板６１は、隣接する端子台バスバ１２から発生する磁力が他の磁気センサ３５に悪影響を及ぼすことを防止するものである。また、図３（Ｄ）は、上部台１９にて電流センサ１１を覆うと共にボルト３７にて電力変換装置ケース３１に締結した状態を示している。これにより、端子台バスバ１２が電流センサ１１を介して電力変換装置ケース３１に保持されることになり、端子台バスバ１２の揺れを考慮する必要がなく、複数の電流センサ１１を搭載した高電圧端子台２０の小型化が可能となる。

図４は図１の高電圧端子台２０の内部構造の斜視図を示し、説明の都合上構成部品を一部省略している。本実施形態の高電圧端子台２０は、一部切り欠きを有する環状コアと磁気センサ３５で形成される電流センサ１１の内部に端子台バスバ１２を配置し、中心孔を有する端子台バスバ１２に締結ボルト１３を挿入して端子台バスバ１２の両端部の端子を締結ボルト１３と締結ナット２２で締結する構造としている。このような構成にすることで公差を端子台バスバ１２の奥行き長さにより決定することが可能となり、構造を単純化している。

図５は図４の高電圧端子台における端子台バスバ４１，４２のその他の実施形態を示している。図４に示した端子台バスバ４１，４２は、四角形状の端子台バスバであり、電流センサの内部形状を四角形にすることで、端子台バスバの回転を防止することでパワーモジュールとの接続時にパワーモジュールに余分に加わる締め付けトルクを低減するものである。また、取り付け時において、最初に図５の奥側の締結ネジによりパワーモジュールを結合し、次に、端子台バスバを高電圧端子台に装着した後、ケーブル端子に締結ボルト６２又は締結ナット６３により締結させることも可能となる。

以上、上述したように、本実施形態に係る電力変換装置を用いることにより、端子台バスバ及び高電圧端子台に電流センサを一体的に構成することで高電圧端子台の小型化ができる。また、電流センサが高電圧端子台に固定されているので、パワーモジュールと高電圧端子台とを接続する部品の強度を高める必要がなく、電力変換装置のコスト低減ができる。また、端子台バスバが端子台に接続される部分に電流センサが配置されるので、端子台バスバの揺れを考慮する必要がない。なお、本実施形態では、分割型の高電圧端子台を説明したが、これに限定するものではなく、樹脂の一体成形による高電圧端子台としても良い。

１０，４０ 電力変換装置、１１，４８ 電流センサ、１２ 端子台バスバ、１３，４５，４６，６２ 締結ボルト、１４，５３ ケーブル端子、１５ ケーブルオスコネクタ、１６ 高電圧ケーブル、１７ シール、１８ Ｏリング、１９ 上部台、２０，５０ 高電圧端子台、２１ パワーモジュール端子、２２，６３ 締結ナット、２３ パワーモジュール素子、２４，５７ パワーモジュール基板、２５ 伝熱板、２６ モールド樹脂、２７ 樹脂冷却器、２８ 下部台、２９ インナスリーブ、３０，４３ パワーモジュール、３１ 電力変換装置ケース、３２ コンデンサ、３３ リアクトル、３４ 制御基板、３５ 磁気センサ、３６ 信号ケーブル、３７ ボルト、３８ 蓋、４１，４２ 端子台バスバ、４４ パワーモジュール端子台、４７ バスバ、４９ ケーブル端子台、５６ 高電圧ケーブル、５８ 冷却器、６１ シールド板、６４，６５ ケーブル挿入孔。

Claims (5)

1. 三相モータジェネレータから延びる各相高電圧ケーブルの各端子をパワーモジュールの各相端子にそれぞれ接続する高電圧端子台を有する車両用の電力変換装置において、
   高電圧端子台は、
   パワーモジュールの各相端子と各相高電圧ケーブルの各端子とをそれぞれ電気的に接続する少なくとも３つ以上の端子台バスバと、
   各端子台バスバのそれぞれについて、端子台バスバの一端とパワーモジュールの各相端子を締結し、各相高電圧ケーブルの各端子と端子台バスバの他端とを締結する端子台バスバの数と同じ数の締結具と、
   少なくとも２つ以上の端子台バスバについて端子台バスバを流れる電流を検出する少なくとも２つ以上の電流センサと、
   複数の端子台バスバ及び端子台バスバが貫通するように配置された複数の電流センサのそれぞれの底面側を保持し、隣接するバスバの間に磁界を遮るシールド板が配置された下部台と、
   下部台に保持された複数の端子台バスバ及び複数の電流センサのそれぞれの上面側を覆うようにして保持する上部台と、
   下部台と上部台を重ねて一体化して電力変換装置ケースに固定する締結手段と、
   を有することを特徴とする電力変換装置。
2. 請求項１に記載の電力変換装置において、
   電流センサは、端子台バスバを囲んで高電圧端子台に配設された環状コアと、環状コア中に発生する磁界の大きさを検出する磁気センサと、を有することを特徴とする電力変換装置。
3. 請求項１に記載の電力変換装置において、
   高電圧端子台は、電流センサを備えた端子台バスバと電流センサを省いた端子台バスバとにより構成されていることを特徴とする電力変換装置。
4. 請求項１に記載の電力変換装置において、
   端子台バスバは、締結ボルトの長手方向と同じ方向となるように電流センサに配置され、パワーモジュールの各相端子と各相高電圧ケーブルの端子とを締結することを特徴とする電力変換装置。
5. 請求項４に記載の電力変換装置において、
   端子台バスバは、締結具より抵抗値が低い材料で形成されていることを特徴とする電力変換装置。

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