JP2012170184A

JP2012170184A - 配電部材

Info

Publication number: JP2012170184A
Application number: JP2011027292A
Authority: JP
Inventors: Shinichi Iizuka; 慎一飯塚
Original assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 2011-02-10
Filing date: 2011-02-10
Publication date: 2012-09-06

Abstract

【課題】バッテリとモータとの間に接続される電力変換装置において、隣接バスバー間のインダクタンスを低減することによりサージ電圧を低減することが可能な配電部材を得る。
【解決手段】バスバー２３Ｕ，２３Ｖ，２３Ｗは、バッテリ１とモータ３との間に接続される電力変換装置２において、電力変換装置２内のパワーモジュール１３に接続される第１端子部４１と、モータ３に接続される第２端子部４２とを有する配電部材であって、同相の第１端子部４１と第２端子部４２とを接続する複数の導電性部材５０を備え、各導電性部材５０は、導体６１と、導体６１を被覆する絶縁層６２と、絶縁層６２を被覆する半導電層６３とを有し、異相の導電性部材５０の半導電層６３同士が、各導電性部材５０の少なくとも一カ所において互いに接触する。
【選択図】図６

Description

本発明は、配電部材に関し、特に、バッテリとモータ及び発電機との間に接続される電力変換装置において、電力変換装置とモータ及び発電機とを接続するためのバスバーに関する。

下記特許文献１には、壁によって離間された複数の溝を有するバスバーサポートに複数のバスバーを挿入することにより、隣接バスバー間に所望の絶縁距離を確保するモータ制御装置が開示されている。

特開２００９−１３１０１７号公報

電気自動車やハイブリッド電気自動車に用いられるパワーモジュールにおいては、回路の信頼性向上のためにサージ電圧を低減することが求められる。

サージ電圧（ΔＶ）は、回路のインダクタンス（Ｌ）と電流変化率（ｄｉ／ｄｔ）とを用いて、ΔＶ＝Ｌ・ｄｉ／ｄｔの関係で表される。つまり、回路のインダクタンスが大きくなるほどサージ電圧は増大するため、インダクタンスを低減することによってサージ電圧を低減することができる。

電気自動車やハイブリッド電気自動車に用いられる電力変換装置内のパワーモジュールにおいては、パワーモジュールとモータ及び発電機とを接続するために、平板導体のバスバーが用いられることが一般的である。

ここで、平行平板のインダクタンス（Ｌ）は、透磁率（μ）、平板の幅（ｗ）、長さ（ａ）、及び平板間距離（ｈ）を用いて、Ｌ＝μ・ａｈ／ｗの関係で表される。従って、平板間距離をゼロに近付けることによって、インダクタンスを低減することができる。

しかしながら、上記特許文献１に開示されたモータ制御装置によると、バスバーサポートの壁の厚みに応じた平板間距離が隣接バスバー間に生じるため、インダクタンスを十分に低減することができない。また、バスバーサポートの追加に起因して、配電スペースが大型化するとともに加工コストが増大する。

本発明はかかる事情に鑑みて成されたものであり、バッテリとモータ及び／又は発電機との間に接続される電力変換装置において、隣接バスバー間のインダクタンスを低減することによりサージ電圧を低減することが可能な配電部材を得ることを目的とするものである。

本発明の第１の態様に係る配電部材は、バッテリとモータ及び／又は発電機との間に接続される電力変換装置において、当該電力変換装置内のパワーモジュールに接続される第１端子部と、前記モータ及び／又は発電機に接続される第２端子部とを有する配電部材であって、同相の前記第１端子部と前記第２端子部とを接続する複数の導電性部材を備え、各前記導電性部材は、導体と、当該導体を被覆する絶縁層と、当該絶縁層を被覆する半導電層とを有し、異相の前記導電性部材の前記半導電層同士が、各前記導電性部材の少なくとも一カ所において互いに接触することを特徴とするものである。

第１の態様に係る配電部材によれば、各導電性部材は、導体と、当該導体を被覆する絶縁層と、当該絶縁層を被覆する半導電層とを有し、異相の導電性部材の半導電層同士が、各導電性部材の少なくとも一カ所において互いに接触する。半導電層同士が互いに接触することによって平板間距離はゼロとなるため、インダクタンスを十分に低減（理論上はゼロ）することができる。その結果、サージ電圧を効果的に低減することが可能となる。

本発明の第２の態様に係る配電部材は、第１の態様に係る配電部材において特に、前記導電性部材は略四角形の断面形状を有し、互いに隣接する複数の前記導電性部材同士が各々の幅広面同士で接触することを特徴とするものである。

第２の態様に係る配電部材によれば、互いに隣接する複数の導電性部材同士が各々の幅広面同士で接触する。従って、隣接する導電性部材同士の接触面積が大きくなるため、インダクタンスを確実に低減することが可能となる。

本発明によれば、隣接バスバー間のインダクタンスを低減することにより、サージ電圧を低減することが可能となる。

本発明の実施の形態に係る電力変換装置の適用例を簡略化して示す図である。電力変換装置の構成を簡略化して示す回路図である。バスバーの基本構造を示す上面図である。バスバーの基本構造を示す側面図である。バスバーの断面構造を示す断面図である。電力変換装置内に実装される状態でのバスバーの構造を模式的に示す図である。バスバーの断面構造を示す断面図である。バスバーの断面構造を示す断面図である。バスバーの他の構造を模式的に示す図である。

以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて詳細に説明する。なお、異なる図面において同一の符号を付した要素は、同一又は相応する要素を示すものとする。

図１は、本発明の実施の形態に係る電力変換装置２の適用例を簡略化して示す図である。電力変換装置２は、電気自動車やハイブリッド電気自動車に適用され、バッテリ１とモータ３及び発電機４との間に接続される。電力変換装置２は、バッテリ１からの直流電力を３相（Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相）の交流電力に変換してモータ３に供給する。また、電力変換装置２は、発電機４からの交流電力を直流電力に変換してバッテリ１に供給する。なお、必ずしもモータ３及び発電機４の双方が搭載されている必要はなく、いずれか一方のみが搭載されていてもよい。

図２は、電力変換装置２の構成を簡略化して示す回路図である。電力変換装置２には、回路図の左辺側にバッテリ１が接続され、右辺側にモータ３及び発電機４が接続される。電力変換装置２は主として、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）等の複数のスイッチング素子を有する昇圧モジュール１１と、複数の平滑コンデンサを有する平滑部１２と、複数のスイッチング素子を有するパワーモジュール１３とを備えて構成されている。

昇圧モジュール１１、平滑部１２、及びパワーモジュール１３は、Ｐ相のバスバー２１及びＮ相のバスバー２２（図２においてバスバーを太線で示す）を介して接続されている。

また、パワーモジュール１３において、Ｕ相における２個のスイッチング素子間の端子５Ｕはバスバー２３Ｕ，２４Ｕに接続されており、Ｖ相における２個のスイッチング素子間の端子５Ｖはバスバー２３Ｖ，２４Ｖに接続されており、Ｗ相における２個のスイッチング素子間の端子５Ｗはバスバー２３Ｗ，２４Ｗに接続されている。なお、以下の説明において、バスバー２３Ｕ，２３Ｖ，２３Ｗを特に区別しない場合には「バスバー２３」と表記し、バスバー２４Ｕ，２４Ｖ，２４Ｗを特に区別しない場合には「バスバー２４」と表記する。

バスバー２３は、パワーモジュール１３とモータ３とを接続するために電力変換装置２内の配電スペースに実装される配電部材である。同様に、バスバー２４は、パワーモジュール１３と発電機４とを接続するために電力変換装置２内の配電スペースに実装される配電部材である。

図３及び図４は、バスバー２３，２４の基本構造をそれぞれ示す上面図及び側面図である。また、図５（Ａ），（Ｂ），（Ｃ）は、図３中のラインＸ１−Ｘ１，Ｘ２−Ｘ２，Ｘ３−Ｘ３に沿った位置に関する断面構造をそれぞれ示す断面図である。

バスバー２３，２４は、パワーモジュール１３の端子（５Ｕ，５Ｖ，５Ｗ）に接続される第１端子部４１と、ケーブル等を介してモータ３又は発電機４に接続される第２端子部４２とを有している。また、バスバー２３，２４は、平板状の導体６１と、導体６１を被覆する絶縁層６２と、絶縁層６２を被覆する半導電層６３とを含む導電性部材５０を有している。また、図５に示すように、バスバー２３，２４は、略四角形の断面形状を有している。導体６１の寸法は、例えば、厚みが１〜２ｍｍ程度であり、幅が１０ｍｍ程度であり、長さが５０〜２００ｍｍ程度である。

導体６１の材質は、例えば銅である。絶縁層６２の材質は、例えばポリアミドイミドである。半導電層６３の材質は、例えば、カーボンブラック粉末等の導電性物質が混練されたポリアミドイミドである。但し、各層の材質はこの例に限定されるものではない。半導電層６３の表面抵抗率は１０^６Ω／□未満（望ましくは１０^４Ω／□未満）に設定されており、これにより、高い部分放電開始電圧（１０^４Ω／□未満で３８００Ｖｐ以上）が実現される。

図３，４に示すように、導電性部材５０の両端部である第１端子部４１及び第２端子部４２においては、導体６１が露出している。また、導電性部材５０の中央部においては、導体６１は絶縁層６２及び半導電層６３によって覆われている。そして、絶縁層６２が露出した領域を両端部と中央部との間に所定の距離だけ設けることにより、当該領域を間に挟むことによって導体６１と半導電層６３とが互いに電気的に分離される。

図６は、電力変換装置２内に実装される状態でのバスバー２３，２４の構造を模式的に示す図である。また、図７及び図８は、図６中のラインＸ４−Ｘ４，Ｘ５−Ｘ５に沿った位置に関する断面構造をそれぞれ示す断面図である。図６においては、導体６１が露出した領域を細線で示し、絶縁層６２が露出した領域を中線で示し、半導電層６３が露出した領域を太線で示している。バスバー２３Ｕ，２３Ｗ，２４Ｕ，２４Ｗは、図３，４に示した直線状の基本構造に対して曲げ加工を施すことにより、複数の箇所で折れ曲がった構造を有している。なお、図６に示したバスバー２３Ｕ，２３Ｖ，２３Ｗの構造は一例であり、配電スペースの大きさや、電力変換装置２内の各モジュール及び各端子のレイアウト等に応じて、所望の形状に加工される。

製造方法としては、まず、絶縁層６２及び半導電層６３によって覆われていない状態の導体６１を、所望の形状に加工する。次に、第１端子部４１及び第２端子部４２を除く領域の導体６１上に、テープ巻き又は電着塗装等によって絶縁層６２を形成する。次に、絶縁層６２の両端部を除く領域上に、テープ巻き又は電着塗装等によって半導電層６３を形成する。

他の製造方法としては、まず、絶縁層６２及び半導電層６３によって全域が覆われた状態の導体６１を、所望の形状に加工する。次に、両端部の半導電層６３を機械的切削又はレーザ照射等によって除去することにより、絶縁層６２を露出させる。次に、第１端子部４１及び第２端子部４２の絶縁層６２を機械的切削又はレーザ照射等によって除去することにより、導体６１を露出させる。

図７を参照して、バスバー２３Ｕは、導体６１Ｕ１、絶縁層６２Ｕ１、及び半導電層６３Ｕ１を有しており、バスバー２３Ｖは、導体６１Ｖ１、絶縁層６２Ｖ１、及び半導電層６３Ｖ１を有しており、バスバー２３Ｗは、導体６１Ｗ１、絶縁層６２Ｗ１、及び半導電層６３Ｗ１を有している。図６，７を参照して、バスバー２３Ｕ，２３Ｖ，２３Ｗは、長さ方向の少なくとも一カ所において半導電層６３Ｕ１，６３Ｖ１，６３Ｗ１同士を互いに接触した状態で固定される。図７に示した例では、半導電層６３Ｖ１の一方の幅広面が半導電層６３Ｕ１の幅広面に接触しており、半導電層６３Ｖ１の他方の幅広面が半導電層６３Ｗ１の幅広面に接触している。これにより、半導電層６３Ｕ１，６３Ｖ１，６３Ｗ１は互いに等電位となる。また、図６を参照して、バスバー２３Ｕ，２３Ｖ，２３Ｗの各第１端子部４１は、パワーモジュール１３のＵ相（端子５Ｕ）、Ｖ相（端子５Ｖ）、Ｗ相（端子５Ｗ）にそれぞれ接続され、各第２端子部４２は、ケーブル等を介してモータ３のＵ相（端子３Ｕ）、Ｖ相（端子３Ｖ）、Ｗ相（端子３Ｗ）にそれぞれ接続される。バスバー２３Ｕ，２３Ｖ，２３Ｗの第１端子部４１同士及び第２端子部４２同士がそれぞれ互いに離間することにより、露出した導体６１Ｕ１，６１Ｖ１，６１Ｗ１間の絶縁距離が確保されている。確保すべき絶縁距離は、印加される電圧（例えば最大電圧）に応じて設定され、第２端子部４２間の絶縁距離を第１端子部４１間の絶縁距離より大きく設定することもできる。

同様に、図８を参照して、バスバー２４Ｕは、導体６１Ｕ２、絶縁層６２Ｕ２、及び半導電層６３Ｕ２を有しており、バスバー２４Ｖは、導体６１Ｖ２、絶縁層６２Ｖ２、及び半導電層６３Ｖ２を有しており、バスバー２４Ｗは、導体６１Ｗ２、絶縁層６２Ｗ２、及び半導電層６３Ｗ２を有している。図６，８を参照して、バスバー２４Ｕ，２４Ｖ，２４Ｗは、長さ方向の少なくとも一カ所において半導電層６３Ｕ２，６３Ｖ２，６３Ｗ２同士を互いに接触した状態で固定される。図８に示した例では、半導電層６３Ｖ２の一方の幅広面が半導電層６３Ｕ２の幅広面に接触しており、半導電層６３Ｖ２の他方の幅広面が半導電層６３Ｗ２の幅広面に接触している。これにより、半導電層６３Ｕ２，６３Ｖ２，６３Ｗ２は互いに等電位となる。また、図６を参照して、バスバー２４Ｕ，２４Ｖ，２４Ｗの各第１端子部４１は、パワーモジュール１３のＵ相（端子５Ｕ）、Ｖ相（端子５Ｖ）、Ｗ相（端子５Ｗ）にそれぞれ接続され、各第２端子部４２は、ケーブル等を介して発電機４のＵ相（端子４Ｕ）、Ｖ相（端子４Ｖ）、Ｗ相（端子４Ｗ）にそれぞれ接続される。バスバー２４Ｕ，２４Ｖ，２４Ｗの第１端子部４１同士及び第２端子部４２同士がそれぞれ互いに離間することにより、露出した導体６１Ｕ２，６１Ｖ２，６１Ｗ２間の絶縁距離が確保されている。確保すべき絶縁距離は、印加される電圧（例えば最大電圧）に応じて設定され、第２端子部４２間の絶縁距離を第１端子部４１間の絶縁距離より大きく設定することもできる。

図９は、図６に対応させて、バスバー２３，２４の他の構造を模式的に示す図である。図６に示した例では平板を加工した形状のバスバー２３，２４を使用したが、図９に示す例では、略円形の断面形状を有する線状のバスバー２３，２４が使用されている。バスバー２３Ｕの両端には平板状の第１端子部４１Ｕ１及び第２端子部４２Ｕ１が接続されており、バスバー２３Ｖの両端には平板状の第１端子部４１Ｖ１及び第２端子部４２Ｖ１が接続されており、バスバー２３Ｗの両端には平板状の第１端子部４１Ｗ１及び第２端子部４２Ｗ１が接続されている。同様に、バスバー２４Ｕの両端には平板状の第１端子部４１Ｕ２及び第２端子部４２Ｕ２が接続されており、バスバー２４Ｖの両端には平板状の第１端子部４１Ｖ２及び第２端子部４２Ｖ２が接続されており、バスバー２４Ｗの両端には平板状の第１端子部４１Ｗ２及び第２端子部４２Ｗ２が接続されている。

図６に示した例と同様に、バスバー２３Ｕ，２３Ｖ，２３Ｗは、長さ方向の中央部において半導電層６３Ｕ１，６３Ｖ１，６３Ｗ１同士を互いに接触した状態で固定される。同様に、バスバー２４Ｕ，２４Ｖ，２４Ｗは、長さ方向の中央部において半導電層６３Ｕ２，６３Ｖ２，６３Ｗ２同士を互いに接触した状態で固定される。例えば、隣接するバスバー２３同士は、互いに接触させた状態で、クリップ等の留め具によって互いに固定される。あるいは、留め具を用いる代わりに、粘着テープや紐等を用いて固定してもよい。あるいは、配電スペース内に所定の嵌め込み構造を形成し、当該嵌め込み構造にバスバー２３を嵌め込むことにより、互いに接触させた状態でバスバー２３を固定してもよい。また、隣接するバスバー２３同士を確実に接触させるべく、バスバー２３を撚った状態で固定してもよい。バスバー２４についても同様である。線状のバスバー２３，２４は、平板状のバスバー２３，２４と比較して可撓性が大きいため、曲げ加工のみならず捻り加工を施すことができ、また、曲げ加工を施す際の曲率を小さくすることができる。

このように本実施の形態に係るバスバー２３によれば、バスバー２３Ｕ，２３Ｖ，２３Ｗの各導電性部材５０は、導体６１と、導体６１を被覆する絶縁層６２と、絶縁層６２を被覆する半導電層６３とを有し、異相の導電性部材５０の半導電層６３同士が、各導電性部材５０の少なくとも一カ所において互いに接触する。半導電層６３同士が互いに接触することによって平板間距離はゼロとなるため、インダクタンスを十分に低減（理論上はゼロ）することができる。その結果、サージ電圧を効果的に低減することが可能となる。バスバー２４についても同様である。

また、本実施の形態に係るバスバー２３によれば、図７に示したように、互いに隣接する複数のバスバー２３の半導電層６３同士が各々の幅広面同士で接触する。従って、隣接するバスバー２３の半導電層６３同士の接触面積が大きくなるため、インダクタンスを確実に低減することが可能となる。バスバー２４についても同様である。

なお、今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した意味ではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内での全ての変更が含まれることが意図される。例えば、上記実施の形態ではパワーモジュール１３とモータ３とを接続するためのバスバー２３、及びパワーモジュール１３と発電機４とを接続するためのバスバー２４に関して本発明を適用する例について述べたが、この例に限らず、図２に示したＰ相のバスバー２１及びＮ相のバスバー２２に関して本発明を適用することもできる。

１バッテリ
２電力変換装置
３モータ
４発電機
５０導電性部材
６１導体
６２絶縁層
６３半導電層
２３Ｕ，２３Ｖ，２３Ｗ，２４Ｕ，２４Ｖ，２４Ｗバスバー

Claims

バッテリとモータ及び／又は発電機との間に接続される電力変換装置において、当該電力変換装置内のパワーモジュールに接続される第１端子部と、前記モータ及び／又は発電機に接続される第２端子部とを有する配電部材であって、
同相の前記第１端子部と前記第２端子部とを接続する複数の導電性部材を備え、
各前記導電性部材は、導体と、当該導体を被覆する絶縁層と、当該絶縁層を被覆する半導電層とを有し、
異相の前記導電性部材の前記半導電層同士が、各前記導電性部材の少なくとも一カ所において互いに接触する、配電部材。
前記導電性部材は略四角形の断面形状を有し、
互いに隣接する複数の前記導電性部材同士が各々の幅広面同士で接触する、請求項１に記載の配電部材。