JP4231626B2

JP4231626B2 - 自動車用モータ駆動装置

Info

Publication number: JP4231626B2
Application number: JP2000571550A
Authority: JP
Inventors: 要佐々木; 敦鈴木; 平吉桑原; 重之吉原; 寛片田; 博久山村
Original assignee: Hitachi Ltd; Hitachi Car Engineering Co Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd; Hitachi Automotive Systems Engineering Co Ltd
Priority date: 1998-09-18
Filing date: 1998-09-18
Publication date: 2009-03-04
Anticipated expiration: 2018-09-18
Also published as: WO2000017994A1

Description

本発明は自動車用モータ駆動装置に関する。

従来の自動車用モータ駆動装置としては、電気自動車を駆動するモータと、モータを駆動するインバータ部を構成する電力変換素子と、インバ一タ部を制御する制御部を構成し且つプリント基板に実装された制御素子と、電力変換素子を上部に、制御素子を実装したプリント基板を下部にそれぞれ配置して収納した筐体と、電力変換素子を熱的に接触して設置した冷却器と、制御素子と冷却器との間を接続するヒートパイプとを備えたものがある。これに関するものとしては、例えば特開平９−２３３８４７号公報に記載されているものが公知である。

特開平９−２３３８４７号公報

この自動車用モータ駆動装置は、一般的に発熱量の大きい電力変換素子の耐熱温度より発熱量の小さい制御素子の耐熱温度の方が低いものであり、筐体内に配置されている制御素子から発生する熱をヒートパイプで冷却器に伝達して放熱する事により制御素子の温度上昇を抑制しようとしている。

しかしながら、かかる自動車用モータ駆動装置は、プリント基板に実装された制御素子の熱を筐体を介することなく伝熱手段のみを介して冷却器に伝達する構成であるため、この伝熱手段が筐体内で邪魔にならないように且つその伝達熱抵抗が小さいものを用いるようにする必要がある。このような伝熱手段としては、ヒートパイプ等の特殊な伝熱手段を使用せざるを得ず、必然的に高価となり、しかも十分な伝熱性能を確保する事が難しく、高い信頼性が得られないという問題があった。

また、かかる自動車用モータ駆動装置は、設置される筐体の周囲温度が高い場合には、筐体全体が周囲から加熱され、筐体内の温度が上昇して制御素子が温度上昇し、高い信頼性が得られないという間題があった。

更に、かかる自動車用モータ駆動装置は、制御素子を実装したプリント基板の半田等の凹凸を吸収して伝熱手段の実効的な伝熱面積の増加を図る事及び自動車の走行中の振動に対応する事については配慮されていない。

しかも、かかる自動車用モータ駆動装置は、ハイブリッド電気自動車のエンジンの冷却に用いるラジエータとの関係、即ちラジエータの据付け性を向上する事について配慮されていなかった。

本発明の目的は、簡単な構成で筐体内を冷却する事ができると共に制御素子の温度上昇を抑える事ができ、制御素子の実装密度を上げた場合又はハイブリッド電気自動車のような筐体の周囲温度が高い場合においても小型で信頼性の優れた自動車用モータ駆動装置を得る事にある。

上記目的を達成するために、本発明に係る自動車用モータ制御装置は、自動車を駆動するモータを駆動するインバータ部を構成する電力変換素子と、前記インバータ部を制御する制御部を構成する制御素子と、前記電力変換素子及び前記制御素子を収納する収納空間を形成した筐体と、前記収納空間に面するように前記筐体と一体成型された冷却器と、を備え、前記筐体及び前記冷却器を熱良導体で形成して、当該筐体と当該冷却器を熱的に接続し、前記電力変換素子を、前記収納空間に面した前記冷却器上に、前記冷却器と熱的に接触させて設置し、前記制御素子を実装したプリント基板を熱良導体で形成した板状の基板据付け部材に載せた状態で、当該基板据付け部材を前記筐体に対して熱的に接続するように支持し、前記電力変換素子と前記制御素子とを独立して積重なるようにして前記筐体の収納空間に収納したものである。
また、上記目的を達成するために、本発明に係る自動車用モータ制御装置は、自動車の駆動用モータに電力を供給するためのインバータ回路部を構成する電力変換素子と、前記インバータ回路部を制御するための制御部を構成する制御素子と、前記制御素子を実装したプリント基板と、前記プリント基板を据付るための金属製の基板据付け部材と、少なくとも前記電力変換素子と前記制御素子を収納する金属製の筐体と、冷却媒体を流すための流路を形成する金属製の流路形成体と、を備え、前記筐体と前記流路形成体は一体に成型され、前記基板据付け部材は、前記電力変換素子に対して前記流路形成体とは反対側に配置され、かつ前記筐体に支持され、前記基板据付け部材と前記筐体と前記流路形成体の相互間に、熱の伝達経路を形成する。

本発明によれば、熱良導体で形成された筐体を冷却器に熱的に接続するようにしたので、簡単な構成で筐体内を冷却する事ができる。また、制御素子を実装したプリント基板を基板据付け部材に載せた状態で、冷却器に熱的に接続された筐体に熱的に接続したので、簡単な構成で制御素子の温度上昇を抑える事ができる。これらによって、制御素子の実装密度を上げた場合又は筐体の周囲温度が高い場合においても小型で信頼性の優れたものとする事ができる。

以下、本発明のいくつかの実施例を図面を用いて説明する。

図２は本発明を備えたハイブリッド電気自動車のエンジンルーム部の透視斜視概略図である。

エンジンルーム内には、モータ駆動装置１，エンジン２，モータ３，発電機４，ラジエータ５，冷却水用ポンプ６，配管６ａ，動力伝達機構７及び車軸８が配置されている。車軸８の両端部は、エンジンルームの外部に突出しており、車輪９が取付けられている。

モータ３を駆動するモータ駆動装置１は、エンジン２及びモータ３の近傍に配置され、具体的には、モータ３の直上で、エンジン２の横に隣接して配置されているので、エンジンルーム内の温度、特にエンジン２及びモータ３の発熱による温度の影響を受ける。エンジンルーム内の温度は車外温度によっては９０℃以上に達する事がある。発電機４は、エンジン２の側面に取付けられ、エンジン２の回転により発電し、バッテリ５０２（図３参照）を充電する。モータ駆動装置１は、このバッテリ５０２から電力の供給を受けるようになっており、発電機４から電力の供給を受けている事になる。モータ駆動装置１は、熱伝導性が良好な、例えばアルミニュームや銅のような材料で形成された筐体１１１と同様な材料で形成された冷却器１１０とで形成される閉鎖空間内に制御素子１０２及び電力変換素子１０１が上下段に積重なるように配置され収納されている。電力変換素子１０１及び制御素子１０２は、通電によって損失が発生し発熱する。制御素子１０２は、図２においては一段に省略して表してあるが、具体的には図１に示すように２段で構成されている。筐体１１１の４面と冷却器１１０とが一体成形されており、筐体１１１の前面をカバーで塞ぐように構成されている。前記閉鎖空間は、雨水や塵埃の侵入を防ぐために、完全に密閉されている事が望ましい。

ラジエータ５，冷却水用ポンプ６，冷却器１１０，モータ３はこの順に配管６ａで連結されており、冷却水循環経路を構成している。この冷却水としては、エチレングリコールから成る不凍液を含む水が用いられる。冷却水は、この循環水経路内を冷却水用ポンプ６の運転によりラジエータ５から冷却器１１０に送られ、この冷却器１１０を冷却した後、モータ１１０を冷却してこれらから熱を奪って温度上昇し、しかる後にラジエータ５に戻り、ラジエータ５にてエンジンルーム内に取込まれる走行風を用いて熱交換され、低温に戻る。エンジン２は、冷却器１１０の冷却水循環系統とは別系統（図示せず）で冷却されるが、冷却水用ポンプ６を共用する構成であっても差し支えない。冷却水が不足した場合には、ラジエータ５の上面の設けられた給水口キャップ（図示せず）を外し、上方から給水を行って補充する。

図３は本発明の自動車用モータ駆動装置の電気回路図である。

電力変換回路５０９は、ＩＧＢＴスイッチング素子５０１ａ及びダイオード５０１ｂ等より成る電力変換素子を有するインバータ部を構成している。ＩＧＢＴスイッチング素子５０１ａ及びダイオード５０１ｂは、Ｕ相，Ｖ相及びＷ相の＋側及び−相がブリッジを形成するように接続されている。この電力変換回路５０９は、入力側がフィルタコンデンサ５０３を介してバッテリ５０２に接続され、出力側がモータ３に接続されている。ゲート回路５０７を含む制御回路５０８は、電流センサ５０４及びエンコーダ５０６の検出信号を受けて電力変換素子１０１を制御するように接続されている。電力変換回路５０９及び制御回路５０８によりモータ３の回転数を制御しながら駆動する。

図１は本発明の自動車用モータ駆動装置の縦断面斜視図、図４は本発明の自動車用モータ駆動装置の冷却器の横断面図、図５は本発明の自動車用モータ駆動装置の制御素子と放熱板部の断面拡大斜視図、図６は本発明の自動車用モータ駆動装置の制御素子と放熱板部の他の実施例の断面拡大斜視図である。

冷却器１１０と筐体１１１は、アルミニュームや銅のような熱良導体で一体成型されている。筐体１１１の上面開口を塞ぐように熱良導体で形成されたカバー１３０が熱的に接触するように着脱可能に取付けられている。なお、冷却器１１０と別体に筐体１１１を下面が開口した箱状に形成し、両者を熱伝導グリース等を介して熱的に良好に接触して着脱可能に取付けても良い。冷却器１１０には冷却水入口１５０及び冷却水出口１５１が設けられ、冷却水が矢印のように流れて冷却器１１０が冷却される。具体的には、図４に示すように冷却水入口１５０から流入した冷却水は、冷却器１１０の長手方向に仕切板１１０ａの間を通って効率よく熱交換をした後、冷却水出口１５１から流出される。

電力変換素子１０１は冷却器１１０の上面に熱的に接触して多数設置され筐体１１１内に収納されている。制御回路５０８の制御素子１０３はプリント基板１２０の上面に高い密度で多数実装されている。ゲート回路５０７の制御素子１０４はプリント基板１２０の上面に高い密度で多数実装されている。それぞれのプリント基板１２０は下面に弾力性を有する熱伝導シート１１３を全面的に介して板状基板据付け部材１２２上に載置されている。熱伝導シート１１３は熱伝導率１Ｗ／ｍ・Ｋ前後のものを用いる事が望ましい。基板据付け部材１２２は、熱伝導率が高いアルミニューム製板材等の熱良導体で構成され、筐体１１１の両側面に熱的に接触して固着された棚受け部１１１ｂに両端部が熱的に接触して載置され支持されている。なお、棚受け部１１１ｂは筐体１１１と一体成型しても良く、この方が熱伝達が良好である。プリント基板１２０はネジ等の固定手段（図示せず）で伝熱シート１１３を若干圧縮するよう基板据付け部材１２２に固定されている。熱伝導シート１１３と基板据付け部材１２２とで熱伝導手段が構成される。電力変換素子１０１と制御素子１０３，１０４は独立して異なった段を構成するよう積重ねられ、予め両端部が熱的に接触してネジ等で固定されているので制御素子１０３，１０４の間の配線が容易であり、組立もとなっている。電力変換回路５０８の電力変換素子は、１個につき数百Ｗ発熱し、その許容温度が１５０℃程度であるのに対し、制御回路５０８の制御素子は、１個あたり１Ｗ程度発熱し、その許容温度が１００℃程度である。従って、制御素子の方が電力変換素子より温度条件が厳しい。制御素子１０３を実装したプリント基板１２０と制御素子１０４を実装したプリント基板１２０とは、独立して上下に積重ねられて配置され筐体１１１内に収納されている。

熱伝導板１２５は、熱伝導率の観点からアルミニューム板や、ふく射伝熱の促進を目的として黄銅板が用いられ、制御素子１０４の直上に配置され、筐体１１１に熱的に接触して固着された棚受け部１１１ｂに熱的に接触して支持されている。熱伝導板１２５に溶着された放熱板１２３は、制御素子１０４の両側に数mm間隙Ｌを有して対向するよう垂下している。放熱板１２３は、熱伝導板１２５と一体成型されても良く、別体でネジ止めされても良い。又、図６に示すように十分に柔軟性を有するシート材で放熱板１２４を製作して制御素子１０４に片側から上下動可能に接触させて熱伝導させればより放熱効果が高くなる。

次に、ハイブリッド電気自動車を運転した際の、モータ駆動装置の冷却状態を説明する。エンジン２とモータ３の運転は、所定の条件によって切換えられて運転される。エンジン２とモータ３は、冷却水で冷却されるが、それでもこれらからの発熱によりエンジンルーム内は９０℃以上に上昇することがある。モータ３と冷却水用ポンプ６は同時に運転される。冷却水用ポンプ６が運転されると、ラジエータ５で６０℃程度の温度に冷却された冷却水は、まず冷却器１１０を冷却した後、モータ３を冷却してラジエータ５に戻る。これにより筐体１１１の温度は７０℃程度になる。モータ３が運転されると、モータ駆動装置１の電力変換素子１０１及び制御素子１０３，１０４が発熱する。電力変換素子１０１で発生した熱は、大部分が冷却器１１０に直接伝えられて冷却水に放熱され、一部が筐体１１１内の空間中に放熱される。これによって電力変換素子１０１自身の温度上昇が抑えられる。制御素子１０３で発生した熱は、大部分は、プリント基板１２０の下面から伝熱シート１１３を介して基板取付け部材１２２に伝えられ、これから棚受け部１１１ｂを介して筐体１１１の両側面に伝えられ、この筐体１１１から冷却器１１０に伝えられて冷却水中に放熱され、一部分は筐体１１１の空間中に放熱される。制御素子１０４で発生した熱は、プリント基板１２０の下面から伝熱シート１１３を介して基板取付け部材１２２に伝えられ、これから棚受け部１１１ｂを介して筐体１１１の両側面に伝えられる経路と、制御素子１０４の上面からふく射により放熱板１０４に伝えられ、熱伝導板１２５から棚受け部１１１ｂを介して筐体１１１の両側面に伝えられる経路とにより冷却水中に放熱される。

図７は本発明の自動車用モータ用駆動装置の他の実施例を示す縦断面斜視図である。

この図７のモータ駆動装置１は、筐体１１１の上面に補助冷却器１１４を一体成型したものである。補助冷却器１１４の上面には冷却水入口１５２及び冷却水出口１５３が一体成型されている。冷却水出口１５１と冷却水入口１５２が連結され、冷却水は矢印のように冷却器１１０を冷却した後、補助冷却器１１４を冷却してからモータに至る。

かかる自動車用モータ用駆動装置によれば、冷却器１１０及び補助冷却器１１４の両方から放熱されるので、冷却性能を著しく向上する事ができる。特に、電力変換素子１０１及び制御素子１０３，１０４によって筐体１１１内の空気が暖められることで、筐体１１１内は自然対流が生じているが、補助冷却器１１４で筐体１１１内上部を冷却する事によりこの自然対流を促進することができ、一層冷却性能を向上する事ができる。

本発明の自動車用モータ用駆動装置によれば、熱良導体で形成された筐体１１１を冷却器１１０に熱的に接続するように一体成型したので、筐体１１１内に別の補助冷却器を設けることなく簡単な構成で筐体１１１内を冷却する事ができる。また、冷却器１１０に熱的に接続するよう一体成型された筐体１１１に制御素子１０３，１０４を伝熱シート１１３及び基板据付け部材１２２より成る熱良導体で形成された熱伝導手段を介して支持すると共に熱的に接続したので、ヒートパイプ等の特別な手段を用いることなく簡単な構成で制御素子１０３，１０４の温度上昇を抑える事ができる。これらによって、制御素子１０３，１０４の実装密度を上げた場合又は筐体１１１の周囲温度が高い場合においても小型で信頼性の優れたものとする事ができる。しかも、電力変換素子１０１と制御素子１０３，１０４を同じ筐体１１１内に独立して積重なるように収納したので、制御素子１０３，１０４を筐体１１１外に設置したものと比較して電力変換素子１０１と制御素子１０３，１０４を結ぶ配線の長さを短くする事ができ、これによってノイズの影響を受け難くすることができると共に、配線を簡略化する事ができ、制御素子１０３，１０４を冷却器１１０上に設置したものと比較して冷却器１１１の大きさを小さくする事ができ、これらによって小型で、信頼性が高く、安価なものとする事ができる。

また、本発明の自動車用モータ用駆動装置によれば、プリント基板１２０の上面に制御素子１０３，１０４を実装し、このプリント基板１２０の下面側に弾力性を有する熱伝導シート１１３を介して基板取付け部材１２２を配置したので、プリント基板１２０の下面側の半田等の凹凸を伝熱シート１１３で吸収して実効的な伝熱面積が増加でき、且つ自動車の走行中にプリント基板１２０に伝達される振動を低減できるものである。

更に、本発明の自動車用モータ用駆動装置によれば、ラジエータ５から冷却器１１０に冷却水を供給し、冷却器１１０に接続する電力変換素子１０１を下部に配置し、制御素子１０３，１０４を実装したプリント基板１２０を上部に配置したので、ハイブリッド電気自動車のエンジン冷却水の冷却に用いるラジエータ５の上端部を冷却器１１０より上方に位置させる事ができ、これによってエンジンルーム内のラジエータ５及びモータ駆動装置１の据付け性が優れたものとする事ができる。

しかも、本発明の自動車用モータ用駆動装置によれば、プリント基板１２０の上面側に制御素子１０４に近接又は接触する放熱板１２３より成る突出部を有する上側放熱部材１２５を制御素子１０４に変位可能に配置し、プリント基板１２０の下面側に弾力性を有する熱伝導シート１１３及び据付け部材１２２を有する下側熱伝導部材を配置し、上側放熱部材及び下側熱伝導部材を筐体１１１に熱的に接続した放熱、熱伝導手段としたので、自動車の走行中に生じる制御素子１０４のプリント基板１２０の振動に対して放熱部材及び熱伝導部材が悪影響を与えることなく、両面側から制御素子１０４を冷却でき、これによってより一層の小型で信頼性の優れたものとする事ができる。

なお、本発明は、その精神又は主要な特徴から逸脱することなく、他のいろいろな形で実施する事ができる。そのため、本明細書に記載した好ましい実施例は例示的なものであり、限定的なものではない。本発明の範囲は、添付の特許請求の範囲によって示されており、その特許請求の範囲の意味の中に入る全ての変形例は本発明の範囲に含まれるものである。

本発明の自動車用モータ駆動装置の縦断面斜視図である。本発明を備えたハイブリッド電気自動車のエンジンルーム部の透視斜視概略図である。本発明の自動車用モータ駆動装置の電気回路図である。本発明の自動車用モータ駆動装置の冷却器の横断面図である。本発明の自動車用モータ駆動装置の制御素子と放熱板部の断面拡大斜視図である。本発明の自動車用モータ駆動装置の制御素子と放熱板部の他の実施例の断面拡大斜視図である。本発明の自動車用モータ用駆動装置の他の実施例を示す縦断面斜視図である。

符号の説明

１…モータ駆動装置、２…エンジン、３…モータ、４…発電機、５…ラジエータ、６…冷却水用ポンプ、６ａ…配管、７…動力伝達機構、８…車軸、９…車輪、１０１…電力変換素子、１０２…制御素子、１０４…制御素子、１１０…冷却器、１１０ａ…仕切板、１１１…筐体、１１１ｂ…棚受け部、１１３…熱伝導シート、１１４…補助冷却器、１２０…プリント基板、１２２…板状基板据付け部材、１２３…放熱板、１２４…放熱板、１２５…熱伝導板、１５０…冷却水入口、１５１…冷却水出口、１５２…冷却水入口、１５３…冷却水出口、５０１ａ…ＩＧＢＴスイッチング素子、５０１ｂ…ダイオード、５０２…バッテリ、５０３…フィルタコンデンサ、５０４…電流センサ、５０６…エンコーダ、５０７…ゲート回路、５０８…制御回路、５０９…電力変換回路。

Claims

自動車を駆動するモータを駆動するインバータ部を構成する電力変換素子と、
前記インバータ部を制御する制御部を構成する制御素子と、
前記電力変換素子及び前記制御素子を収納する収納空間を形成した筐体と、
前記収納空間に面するように前記筐体と一体成型された冷却器と、
を備え、
前記筐体及び前記冷却器を熱良導体で形成して、当該筐体と当該冷却器を熱的に接続し、
前記電力変換素子を、前記収納空間に面した前記冷却器上に、前記冷却器と熱的に接触させて設置し、
前記制御素子を実装したプリント基板を熱良導体で形成した板状の基板据付け部材に載せた状態で、当該基板据付け部材を前記筐体に対して熱的に接続するように支持し、
前記電力変換素子と前記制御素子とを独立して積重なるようにして前記筐体の収納空間に収納した自動車用モータ駆動装置。
自動車の駆動用モータに電力を供給するためのインバータ回路部を構成する電力変換素子と、
前記インバータ回路部を制御するための制御部を構成する制御素子と、
前記制御素子を実装したプリント基板と、
前記プリント基板を据付るための金属製の基板据付け部材と、
少なくとも前記電力変換素子と前記制御素子を収納する金属製の筐体と、
冷却媒体を流すための流路を形成する金属製の流路形成体と、を備え、
前記筐体と前記流路形成体は一体に成型され、
前記基板据付け部材は、前記電力変換素子に対して前記流路形成体とは反対側に配置され、かつ前記筐体に支持され、
前記基板据付け部材と前記筐体と前記流路形成体の相互間に、熱の伝達経路を形成する自動車用モータ駆動装置。
前記モータはハイブリッド電気自動車を駆動し、
前記冷却器は、車載ラジエータにより冷却される冷却水が流れる流路を備え、
前記ハイブリッド電気自動車のエンジンルーム内に配置される請求項１または２に記載の自動車用モータ駆動装置。
前記制御素子を前記プリント基板の一方の面に実装し、
前記プリント基板が当該プリント基板の他方の面との間に弾力性を有する熱伝導シートを介して前記基板据付け部材に搭載された請求項１または２記載の自動車用モータ駆動装置。
前記熱伝導シートは熱伝導シリコーンを主成分とする材料で形成された請求項４記載の自動車用モータ駆動装置。
前記制御素子はマイコンを含むプリント基板とゲート回路を含むプリント基板に複数段に分割して実装された請求項１又は２に記載の自動車用モータ駆動装置。
前記プリント基板の前記制御素子を設けた面側に、前記制御素子に近接又は接触する突出部を有する放熱部材を、前記筐体に熱的に接続するようにして設けた請求項１又は２に記載の自動車用モータ駆動装置。
前記放熱部材は複数の突出部を変位可能に有し、前記プリント基板の他方の面と前記基板据付け部材との間に弾力性を有する熱伝導シートを挟むことにより前記プリント基板と前記基板据付け部材とを熱的に接続した請求項７に記載の自動車用モータ駆動装置。