(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電気自動車のモータへ電力を供給する電力変換ユニットであって、
冷却プレートの面上に配置され、所定の配置構成を有する複数の電力変換装置と、
前記配置構成に従って各々が前記複数の電力変換装置を跨ぐ状態で並べて配置され、隣接する二つの冷媒流路の間でこれらを夫々流れる冷媒の流れ方向が逆になるように冷媒が導入され、前記冷却プレート内に収容された少なくとも二つの冷媒流路と
を備え、
前記複数の電力変換装置は、前記冷却プレートのそれぞれの面を挟むように配置され、電気的に接続された二つの回路ユニットで構成される、
ることを特徴とする電力変換ユニット。
【請求項２】
複数の前記冷媒流路を接続した，冷媒入口及び冷媒出口を有する第１種冷媒流路と、
複数の前記冷媒流路を接続した，冷媒入口及び冷媒出口を有する第２種冷媒流路と
を備えることを特徴とする請求項１記載の電力変換ユニット。
【請求項３】
請求項２記載の電力変換ユニットと、
前記第２種冷媒流路の冷媒出口から供給される冷媒を冷却して前記第１種冷媒流路の冷媒入口に供給するための第１冷却装置と、
前記第１種冷媒流路の冷媒出口から供給される冷媒を冷却して前記第２種冷媒流路の冷媒入口に供給するための第２冷却装置と
を備えることを特徴とする電気自動車。
【請求項４】
燃料電池を、さらに備え、
前記電力変換ユニットが、前記燃料電池の出力電圧を昇圧するためのユニットである
ことを特徴とする請求項３記載の電気自動車。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複数の電力変換装置を備えた電力変換ユニットと、そのような電力変換ユニットを備えた電気自動車とに、関する。
【背景技術】
【０００２】
電力変換装置（コンバータ，インバータ等）に用いられている各種素子（スイッチ素子，ダイオード，コイル等）は、発熱するものであると共に、その温度によって挙動（特性）が大きく変わるものとなっている。
【０００３】
このため、大電力を出力する必要がある，電気自動車用の電力変換装置（コンバータ，インバータ等）は、通常、冷媒を流すための流路がその内部に形成されている金属部材上に各種素子を固定したもの（例えば、特許文献２〜５参照）となっている。また、多相の電力変換装置では、各相の温度を測定し，測定した温度によって各相に対する制御内容を変えるといったこと（特許文献１参照。）も行われている。
【０００４】
【特許文献１】特開２００７−１５９３１５号公報
【特許文献２】特開平１１−１２１６６８号公報
【特許文献３】特開２００５−５７９２８号公報
【特許文献４】特開２００３−１３４８２３号公報
【特許文献５】特開２００６−７４９６３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
確かに、多相の電力変換装置の各相に対して、各相の温度の測定結果に応じた制御を行えば、各相に温度差が生じても異常状態とならない電気自動車を実現することが出来る。ただし、そのような制御を行うことにしても、電力変換装置の本来の性能を発揮させるためには、各相の温度差が小さくなるようにしておいた方が良いことは事実である。
【０００６】
そこで、本発明の課題は、複数の電力変換装置を備えた，各電力変換装置の，対応する素子間の温度差が小さい電力変換ユニットを提供することにある。
【０００７】
また、本発明の他の課題は、複数の電力変換装置を備えた電気自動車であって、各電力変換装置の，対応する素子間の温度差が小さい電気自動車を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決するために、本発明の，電気自動車のモータへ電力を供給する電力変換ユニットは、所定の配置構成を有する複数の電力変換装置と、前記配置構成に従って各々が前記複数の電力変換装置を跨ぐ状態で並べて配置され、隣接する二つの冷媒流路の間でこれらを夫々流れる冷媒の流れ方向が逆になるように冷媒が導入される少なくとも二つの冷媒流路とを備える。
【０００９】
すなわち、本発明の電力変換ユニットの構成要素である“隣接する二つの冷媒流路の間でこれらを夫々流れる冷媒の流れ方向が逆になるように冷媒が導入される少なくとも二つの冷媒流路”は、１組或いは２組以上の冷媒入口及び冷媒出口を有するように各冷媒流路を接続した場合には、『各部が均一に加熱されると、冷媒流路の並び方向の温度分布の方が，当該方向と直交する方向の温度分布よりも大きくなる冷却系』として機能するものとなっている。また、“隣接する二つの冷媒流路の間でこれらを夫々流れる冷媒の流れ方向
が逆になるように冷媒が導入される少なくとも二つの冷媒流路”は、同温の冷媒を個々の冷媒流路に導入した場合には、『各部が均一に加熱されても、温度分布があまり生じない冷却系』として機能するものとなっている。
【００１０】
そして、本発明の電力変換ユニットは、そのような冷却系の各部によって，所定の配置構成を有する複数の電力変換装置の各部が冷却される構成を有するものとなっている。従って、本発明の電力変換ユニットは、冷却のために他の構成が採用されている電力変換ユニットよりも、各電力変換装置の各部の温度差（対応する素子間の温度差）が少ないユニットであることになる。
【００１１】
なお、本発明の電力変換ユニットは、電気自動車のモータへ電力を供給するために使用されるものでありさえすれば良いので、例えば、本発明の電力変換ユニットを、他のユニットを介してモータと接続されるもの（例えば、コンバータ）として実現（製造）しておくことが出来る。また、本発明の電力変換ユニットを、モータと直結されるもの（例えば、インバータ）として実現（製造）することもできる。また、電力変換ユニットを、二次電池の出力を変換するものとして実現しておくことも、燃料電池の出力を変換するものとして実現しておくことも出来る。
【００１２】
また、本発明の電力変換ユニットを実現するに際しては、複数の前記冷媒流路を接続した，冷媒入口及び冷媒出口を有する第１種冷媒流路と、複数の前記冷媒流路を接続した，冷媒入口及び冷媒出口を有する第２種冷媒流路とを備えたものとしておくことが好ましい。
【００１３】
何故ならば、電力変換ユニットをそのような構成のものとしておけば、製造コストがさほど増えない形で、各電力変換装置の各部の温度上昇量がより少ない電力変換ユニットや各電力変換装置の各部の温度上昇量がより少ない電気自動車（請求項３，４記載の電気自動車）を実現出来ることになるからである。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、複数の電力変換装置を備えた，各電力変換装置の，対応する素子間の温度差が小さい電力変換ユニット及び電気自動車を、実現できることになる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、本発明を実施するための最良の形態を、図面を参照して詳細に説明する。
【００１６】
図１に示してあるように、本発明の一実施形態に係る電気自動車１は、燃料電池１１，ＦＣ昇圧コンバータ１２，バッテリ１３，バッテリ昇圧コンバータ１４，インバータ１５，電子制御ユニット１６，水素タンク１７，コンプレッサ１８，モータ２０，アクセルベダルセンサ２１等を備えた自動車（燃料電池自動車）である。
【００１７】
この電気自動車１が備えるモータ２０は、いわゆる三相交流モータである。アクセルペダルセンサ２１は、アクセル開度（電気自動車１に設けられているアクセルペダルの踏み込みの程度を示す情報）を検出するためのセンサである。
【００１８】
電子制御ユニット１６（以下、ＥＣＵ１６とも表記する）は、アクセルペダルセンサ２１からの信号，モータ２０からの信号（モータ２０の回転数を示す信号）等に基づき、ＦＣ昇圧コンバータ１２，バッテリ昇圧コンバータ１４，インバータ１５，水素タンク１７及びコンプレッサ１８を統合的に制御するユニットである。
【００１９】
インバータ１５は、直流電力を，モータ２０を駆動するための交流電力に変換する回路
である。燃料電池１１（以下、ＦＣ１１とも表記する）は、水素タンク１７からの水素ガスとコンプレッサ１８によって圧送されてくる空気中の酸素との電気化学反応により発電を行う電池である。
【００２０】
バッテリ１３は、燃料電池１１からインバータ１５へ所望の電力が供給できない場合に、不足分の電力の供給源として機能する二次電池（蓄電池）である。このバッテリ１３は、電気自動車１の減速時にモータ２０が発電する電力や，ＦＣ１１からの電力により，充電が行われるものとなっている。
【００２１】
バッテリ昇圧コンバータ１４は、バッテリ１３の出力電圧を昇圧するためのＤＣ−ＤＣコンバータである。
【００２２】
ＦＣ昇圧コンバータ１２は、ＦＣ１１の出力電圧を昇圧するためのＤＣ−ＤＣコンバータである。このＦＣ昇圧コンバータ１２は、図２に示した回路構成を有するものとなっている。すなわち、ＦＣ昇圧コンバータ１２は、同回路構成の昇圧スイッチングコンバータ３０ｕ，３０ｖ及び３０ｗを並列に接続した多相コンバータとなっている。なお、各昇圧スイッチングコンバータ３０ｘ（ｘ＝ｕ，ｖ，ｗ）内の補助回路３１は、スイッチ素子Ｓ１（本実施形態では、ＩＧＢＴ）のソフトスイッチング（ゼロ電圧スイッチング）を可能とするために設けられている回路である。また、図２における負荷４０とは、バッテリ１３，バッテリ昇圧コンバータ１４，インバータ１５及びモータ２０で構成されている部分（図１参照）のことである。
【００２３】
さらに、ＦＣ昇圧コンバータ１２は、各相の温度差を低減するための冷却系たる冷却プレートとによって冷却される構成を有している。
【００２４】
図３は、冷却プレートの構成例を示す図である。図３において、冷却プレート３５は、長手方向及び短手方向を有する平面矩形の平板状に形成された金属製のプレート本体３５ａと、プレート本体３５ａ内に収容された第１冷媒管４１及び第２冷媒管４２とを備える。
【００２５】
第１冷媒管４１は、プレート本体３５ａの短手方向側面の一方（図３左側側面）に設けられた冷媒入口４１ａと、短手方向側面の他方（図３右側側面）に設けられた冷媒出口４１ｂと、プレート本体３５ａ内に収容され冷媒入口４１ａと冷媒出口４１ｂを接続する中間部４１ｃとからなる。中間部４１ｃは、冷媒入口４１ａからプレート本体３５ａの長手方向を所定回数折り返すように蛇行した形状を有している。図３に示す例では、中間部４１ｃは、冷媒入口４１ａからプレート本体３５ａ内を長手方向を一往復半して冷媒出口４１ｂに至るように構成されている。このように、プレート本体３５ａ内には、冷媒入口４１ａから導入される冷媒がプレート本体３５ａ内を長手方向に所定回数折り返して冷媒出口４１ｂから排出される第１種流路としての冷媒流路が形成されている。
【００２６】
第２冷媒管４２は、プレート本体３５ａの短手方向側面の他方に設けられた冷媒入口４２ａと、短手方向側面の一方に設けられた冷媒出口４２ｂと、プレート本体３５ａ内に収容され冷媒入口４２ａと冷媒出口４２ｂを接続する中間部４２ｃとからなる。中間部４２ｃは、中間部４１ｃと同様に、プレート本体３５ａの長手方向に所定回数折り返すように蛇行した形状を有している。図３に示す例では、中間部４２ｃは、冷媒入口４２ａからプレート本体３５ａの長手方向を一往復半して冷媒出口４２ｂに至るように構成されている。このように、プレート本体３５ａ内には、冷媒入口４２ａから導入される冷媒がプレート本体３５ａ内を長手方向に所定回数折り返して冷媒出口４２ｂから排出される第２種流路としての冷媒流路が形成されている。
【００２７】
上記より解るように、第１冷媒管４１の冷媒導入／排出方向と，第２冷媒管４２の冷媒導入／排出方向とは相互に逆向きとなっている。また、第１冷媒管４１の中間部４１ｃの各直線状部分，及び，第２冷媒管４２の中間部４２ｃの各直線状部分も、隣接する直線状部分とは、逆の方向に冷媒が流れるものとなっている。なお、第１冷媒管４１（中間部４１ｃ）及び第２冷媒管４２（中間部４２ｃ）は、例えば、金属、樹脂を用いて構成することが出来る。
【００２８】
また、冷媒入口４１ａは、配管及びポンプ（図示せず）を介して第１の冷却装置たるラジエータ５１の冷媒出口に接続され、冷媒出口４１ｂは、配管を介して第２の冷却装置たるラジエータ５２の冷媒入口に接続されている。さらに、冷媒入口４２ａは、配管を介して第２の冷却装置たるラジエータ５２の冷媒出口に接続され、冷媒出口４２ｂは、配管を介して第１の冷却装置たるラジエータ５１の冷媒入口に接続されている。なお、本実施形態に係る電気自動車１は、図４に模式的に示してあるように、ラジエータ５１を電気自動車１の前面に配置し，ＦＣ昇圧コンバータ１２を電気自動車１のほぼ中央部に配置し，ラジエータ５２を電気自動車１の後部に配置したものとなっている。
【００２９】
このように、ラジエータ５１で熱交換（冷却）された冷媒（図３）は、第１冷媒管４１を通ってラジエータ５２に到達し、ラジエータで熱交換（冷却）された冷媒は、第２冷媒管４２を通ってラジエータ５１に戻る構成となっている。
【００３０】
図２に示したＦＣ昇圧コンバータ１２は、プレート本体３５ａの平面（表面）及び底面（裏面）に取り付けられる回路ユニット５３ａ及び５３ｂとして構成されている。図５Ａは、プレート本体３５ａの平面（表面）上に取り付けられた回路ユニット５３ａを示し、図５Ｂは、プレート本体３５ａの底面（裏面）上に取り付けられた回路ユニット５３ｂを示す。
【００３１】
ここに、プレート本体３５ａは、プレート本体３５ａをその厚さ方向に貫通した複数の貫通孔３５ｂ，３５ｃ，３５ｄ，３５ｅ，３５ｆを備え（図３）、これらの貫通孔を用いて、回路ユニット５３ａ及び５３ｂが電気的に接続される。このようにして、冷却プレート３５が、回路ユニット５３ａ及び５３ｂで挟まれた形状を有する電力変換ユニットが構成される。
【００３２】
回路ユニット５３ａ及び５３ｂは、その長手方向、即ち、冷却プレート３５の長手方向に，３相の昇圧スイッチングコンバータ３０ｕ，３０ｖ，３０ｗの構成要素が配列された構成を持つ。これによって、昇圧スイッチングコンバータ３０ｕ，３０ｖ，３０ｗの配列方向と、第１及び第２冷却管４１及び４２の各中間部４１ｃ及び４２ｃ内の冷媒の流れる方向とがほぼ直交した状態となっている。
【００３３】
このように、第１冷媒管４１及び第２冷媒管４２は、複数の電力変換装置としての昇圧スイッチングコンバータ３０ｕ，３０ｖ，３０ｗの配置構成に応じて、これらを跨ぐ状態で配置された複数の冷媒流路として機能する。そして、第１及び第２冷却管４１及び４２を流れる冷媒の流れ方向が逆方向となるように冷媒が導入されることで、各昇圧スイッチングコンバータ３０ｘ（ｘ＝ｕ，ｖ，ｗ）が均一に（一様に）冷却される。
【００３４】
《変形形態》
上記した電気自動車１は、各種の変形を行うことが出来る。例えば、冷却プレート３５を、Ｗ字状（三角波状）の冷媒流路や直線部分を有さない冷媒流路（各部が湾曲している冷媒流路）がその内部に形成されているものに変形することが出来る。また、冷却プレート３５を、１系統の冷媒流路しか有さないものに変形すると共に、電気自動車１を、一方のラジエータ（例えば、ラジエータ５２）を有さないものに変形することも出来る。ただ
し、各素子の温度上昇量を小さくしたい場合には、上記した構成を採用しておくべきである。
【００３５】
また、ＦＣ昇圧コンバータ１２を、並列接続されている昇圧スイッチングコンバータ３０ｘの数が２個或いは４個以上であるコンバータや、各昇圧スイッチングコンバータ３０ｘの具体的な回路構成が上記したものとは異なるコンバータに変形することも出来る。また、上記技術を、ＤＣ−ＤＣコンバータ以外の電力変換ユニット（多相インバータ等）に適用しても良いことなどは、当然のことである。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】本発明の一実施形態に係る電気自動車の構成図である。
【図２】実施形態に係る電気自動車に用いられているＦＣ昇圧コンバータの回路構成の説明図である。
【図３】ＦＣ昇圧コンバータに用いられている冷却プレートの説明図である。
【図４】ＦＣ昇圧コンバータ及び２つのラジエータの位置関係の説明図である。
【図５Ａ】ＦＣ昇圧コンバータの，各素子が配置されている位置の説明図である。
【図５Ｂ】ＦＣ昇圧コンバータの，各素子が配置されている位置の説明図である。
【符号の説明】
【００３７】
１・・・・電気自動車
１１・・・・燃料電池（ＦＣ）
１２・・・・ＦＣ昇圧コンバータ
１３・・・・バッテリ
１４・・・・バッテリ昇圧コンバータ
１５・・・・インバータ
１６・・・・電子制御ユニット（ＥＣＵ）
２０・・・・モータ
２１・・・・アクセルペダルセンサ
３１・・・・補助回路
３０ｕ，３０ｖ，３０ｗ・・・・昇圧スイッチングコンバータ
３５・・・・冷却プレート
５１，５２・・・・ラジエータ
Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３・・・・スイッチ素子
Ｃ２，Ｃ３・・・・コンデンサ
Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３・・・・コイル
Ｄ１，Ｄ２，Ｄ３，Ｄ４，Ｄ５，Ｄ６・・・・ダイオード
【図１】
0005145955.tif 000002
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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