CN101678747A - 用于机动车中的微混合系统的电力子组件 - Google Patents

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Abstract

根据本发明，一种用于机动车中的微混合系统(1)的电力子组件(3)，包括：具有晶体管桥(13)的AC－DC变换器(8)；能量储存装置(10)；和电力总线(9)，该电力总线包括至少两个圆柱形导体(22，22’)。根据本发明，所述导体(22，22’)包括各自的同轴圆柱形表面(23，23’)。整合在本发明的电力子组件中的电力总线使得寄生电感远低于现有技术的电力子组件中的标准电缆，尤其避免了AC－DC变换器中的晶体管的端子处的过电压。

Description

用于机动车中的微混合系统的电力子组件
技术领域
本发明用于机动车领域。更具体地，其涉及一种用于机动车的微混合系统的电力子组件，包括具有晶体管桥的AC-DC变换器、能量储存装置和电力总线。
背景技术
多年来，由于要求首先降低燃料消耗、其次限制污染，增加了对“清洁”车辆的需求。
通常，混合系统和微混合系统已被开发用于满足前述要求。
例如具有再生制动的微混合系统是已知的，其中交流发电机被用于收集机械扭矩，由此产生车辆制动。交流发电机把该被收集的扭矩转换为电能，为能量储存装置充电，该能量储存装置例如是一组超级电容器或电池组。该再生能量然后被返回到机动车所包括的电气或电子设备的各部件。该能量还可在具有浮动直流电压的所谓的“14+X”微混合系统中用于启动热力发动机或用于该热力发动机的扭矩辅助。
但是，该类型的微混合系统整合到现代机动车的发动机舱可导致一些问题。实际上，微混合系统由一些必须彼此相互连接的元件组成，其中这些元件的一些体积相对较大。由于机动车的发动机舱具有相对有限的空间，汽车制造商发现越来越难于在其中整合新系统。结果是多个技术性选择，例如把能量储存装置从微混合系统的其它元件移开，例如通过将该装置安装在行李箱(boot)中。因此，形成电力总线的分支电缆可能较长且带来寄生电感，在处于切换动态运行状态时该寄生电感可能影响微混合系统。
位于微混合系统的AC-DC变换器和能量储存装置之间的电力总线导致一些特殊的问题。实际上，较大的脉冲电流可通过该电力总线在AC-DC变换器和能量储存装置之间传输。例如，在旋转电机的起动机模式运行期间产生大脉冲电流。该电力总线的寄生电感首先在一些频率下可影响能量性能，且还导致过度的谐振电压。此外，寄生电感对于电磁兼容性是有害影响的。
过度的谐振电压可导致在AC-DC变换器的MOSFET功率晶体管中的不可控的雪崩现象(avalanche phenomena)，这些雪崩现象可影响这些晶体管的运行，或者损坏它们。由于这些雪崩现象，微混合系统的可靠性由此可被大大降低。
在现有技术中，已知用作电力总线的电缆由两个并置的绝缘圆柱形导体组成。与其它接线方案(例如使用形成正极芯的单个导体且要求通过形成负极芯的机动车车体构成的回路的接线，其中该回路用作地线)相比，该类型的电缆可减少寄生电感。例如，对于长3m的电缆，可获得约3μH的电感。
由于在AC-DC变换器中具有形成限制过电压的无源滤波器的几十μF(例如60μF)的电容器，上述标准电缆可被用在电流可达到600A的微混合系统中，特别是在热力发动机起动机模式中。
对于电流超过600A的微混合系统，针对3m长度带有约3μH寄生电感的标准电缆，需要具有更大电容的电容器。例如，在已知的微混合系统中，以约1100A的电流运行时，在AC-DC变换器中需要约2000μF的电容器。由于该电容器优选地被整合到AC-DC变换器中，结果是，由于电容器的体积较大，难于满足整合约束。
发明内容
本发明的目的是提供一种微混合系统的电力子组件，其不具有根据上述现有技术的方案的缺点。
根据本发明的电力子组件包括AC-DC变换器、能量储存装置和电力总线，该电力总线包括至少两个圆柱形导体。
根据本发明，导体包括各自的同轴圆柱形表面。
整合在根据本发明的电力子组件中的电力总线使得寄生电感远远低于根据现有技术的电力子组件的标准电缆的寄生电感。实际上，对于3m的长度，寄生电感可降低到约0.1μH和约1μH之间的值。
这导致设计压力的降低，特别是由于AC-DC变换器的端子处的电容器可被保持一较低的值。此外，该电力总线使得连接简单，这对于良好的可靠性是有益的。
根据本发明的其它特点：
-电力总线包括至少两个同轴导体。
-电力总线包括至少一个导体，所述至少一个导体具有在约15mm2和约50mm2之间的横截面。根据本发明的该特点使得可以使电力子组件标准化，以用于大量的微混合系统。实际上，至少一个同轴导体的截面的可变性允许对该导体的长度的改变，和对由电力总线传输的高电流的改变，所述长度根据储存装置在车辆中的位置而变化。
-电力总线包括中心导体，其具有圆形截面。与传统结构的同轴导体对应的该实施例使得可以在导体的寄生电感的降低方面获得最佳水平。
-电力总线包括由多个卷绕金属片形成的至少一个导体。该特点使得由于具有更大的柔性而便于操作导体。
-电力总线包括由金属辫状件形成的至少一个导体。该特点首先允许更低的成本，且其次由于具有更大的柔性而便于操作导体。
-电力总线包括主要由铜制造的至少一个导体，因此确保非常良好的导电性。
-电力总线包括主要由铝制造的至少一个导体。该铝金属使得可以降低导体的成本，且还使其质量最小化。
-电力总线包括容纳在护套中的至少一个导体。
-护套由绝缘件形成，该绝缘件放置在两个导体之间，且该绝缘件具有约0.1mm和约5mm之间的厚度。有利地，根据本发明的该特点可在最小电感和两个导体间的足够热绝缘之间得到折衷。
-电力总线包括连接机构，该连接机构包括装配在导体的一端上的至少一个端子。
-连接机构包括装配的端子，所述端子与相应导体具有同一纵向轴线。
-连接机构包括弯曲类型的装配的端子。
-连接机构包括凸缘类型的装配的端子。
-连接机构包括半月形类型的装配的端子。
-连接机构包括通过压接和/或焊接装配的端子。
-电力总线包括连接机构，且该连接机构包括与导体的一端一体并形成在其上的至少一个端子。该特点有利地使得可以节省材料，且消除接触电阻。
-连接机构包括与导体的一端一体的端子，且该端子通过破碎和打孔或开通导体的一端而形成。
-电力子组件包括形成盖体的至少一个元件，其被设计用于保护连接机构。该盖体可有利地确保导体的形成连接机构的端部的保持，例如使得电力子组件可靠。此外，盖体使得可确保连接机构的密封。
-盖体包括定位槽，其有利地使得可以避免连接机构之间的连接错误，且由此还增加了电力子组件的可靠性。
-AC-DC变换器是可逆的。
-能量储存装置包括超级电容器。
根据其它方面，本发明还涉及微混合系统，包括例如前面简述的电力子组件，以及涉及装备有该类型的微混合系统的机动车。
附图说明
通过阅读下面的详细说明，可明白本发明的其它特点和优点，为了理解该说明需参考其包括的附图，其中：
图1简单地示出了包括根据本发明的电力子组件的微混合系统；
图2详细地示出了图1的电力子组件；
图3A、3B和3C示出了包括在根据本发明的电力子组件中的电力总线的三个不同实施例的横截面视图；
图4A示出了连接机构的实施例的横截面视图，该连接机构位于包括在根据本发明的电力子组件中的电力总线的端部处；
图4B和4C分别示出了图4A的连接机构的横截面的简化视图；
图4D示出了连接机构的另一实施例的横截面的简化视图，该连接机构位于根据本发明的电力总线的一端处；
图4E和4F示出了连接机构的两个其它实施例的横截面的视图，该连接机构位于根据本发明的电力总线的端部处；和
图5示出了连接机构的又一实施例的顶视图，该连接机构位于本发明的电力总线的一端处。
具体实施方式
图1示出了用于机动车的交流发电机-起动机的微混合系统1的多个模块。这些模块包括：
-可逆的多相旋转电机2；
-电力子组件3，其连接到电机2，且包括后文所述的元件8、9和10；
-DC/DC电压变换器4，其连接到电力子组件3；和
-能量储存单元5，其连接到DC/DC变换器4。
在该实施例中，微混合系统包括交流发电机-起动机类型的旋转电机2。
电力子组件3包括：
-可逆的AC/DC变换器8；
-电力总线9；和
-能量储存装置10，在该实施例中其为超级电容器的类型。
AC/DC变换器8使得特别可以把从车辆的能量储存机构获得的直流电压变换为用于驱动交流发电机起动机2的多相交流电压。
电力总线9使得可以在AC/DC变换器8和储存装置10之间传输能量。
储存装置10可包括多个超级电容器，其形成组且布置为串联单元的形式。
DC/DC电压变换器4允许电力子组件3和能量储存单元5之间的电能的双向传输。
能量储存单元5可包括传统的供电电池，其例如是铅电池类型。供电电池5的概念在本发明中应被理解为涵盖形成可充电电能储存器的任意装置，至少在该装置的非零充电状态中，其端子处具有非零电压。
能量储存单元5和能量储存装置10，分别是供给电池5和超级电容器10或超级电容器组，构成能量储存机构。这些储存机构特别使得可为车辆的电气或电子消耗单元供电。机动车中的这些消耗单元典型地为车头灯、收音机、空调、风挡雨刷等。
当热力发动机起动时，或在热力发动机的扭矩辅助阶段，如果能量储存机构5和10被充电，且更特别地超级电容器组10被充电，则交流发动机-起动机2可用于在电马达模式中运行。
当旋转电机2在电马达模式中运行时，AC/DC变换器8运行为把从车辆的能量储存机构获得的直流电压变换为多相交流电压，且更具体地在图1的实施例中为三相电压。该多相交流电压为起动机线圈供电，以使得旋转电机2的输出轴(未示出)旋转。当能量储存机构5和10为空时，或者起动或加速阶段结束时，该功能模式的结束由微混合系统1决定。
当旋转电机2在交流发电机模式中运行时，或更具体地说，在正常交流发电机模式中或再生制动交流发电机模式中运行时，AC/DC变换器8运行为把电机2供应的多相电压变换为直流电压，该直流电压用于为车辆的配电网络供电，且为后者的能量储存机构充电。
在装配有所谓“14+X”双电压配电网络的车辆中，高浮动直流电压可从超级电容器组10的端子处的电压直接供应。供应到该14+X网络的能量则可从超级电容器组10获得、通过AC/DC变换器8从以交流发电机模式运行的电机2获得、或者通过由此作为升压变压器(step-up transformer)的DC/DC变换器4从供电电池5获得。
如图1所示，微混合系统的连接器18和19被设置分别用于以浮动直流电压运行的14+X网络和通常存在于当前机动车中的12V网络。
电力子组件3可被整合在机动车的不同位置中，甚至在除了车辆发动机罩(bonnet)下的位置中。因此，电力子组件3的元件8、9和10每个都可被整合在机动车的不同位置中。在一个特定例子中，AC/DC变换器8被放置在车辆发动机罩下，储存装置10被放置在车辆行李箱中，且因此，电力总线9基本上在车辆的整个长度上延伸，例如用于连接两个元件8和10。
图2示出了根据本发明的电力子组件3，包括AC/DC变换器8，该变换器首先连接到交流发电机-起动机2，其次连接到超级电容组10。
AC/DC变换器8是三相电装置，特别是在交流发电机-起动机的电马达模式中，该装置允许直流电压被变换为多相交流电压。AC/DC变换器8包括多个桥臂11，在该例中为三个，其等于电相的数量。每个桥臂11包括两个电子地控制的开关12，每个开关由功率晶体管13和续流二极管14形成。晶体管13例如可以是MOSFET型晶体管。本领域技术人员熟知，MOSFET晶体管13包括两个运行状态，即导通状态，其允许电流通过，和阻断状态，其阻止电流通过。通过切换发生从一个状态到另一个的转换。晶体管13具有第三状态，称为“进入雪崩(avalanche passage)”。例如，当从导通状态切换到阻断状态过程中在晶体管13的端子处存在过电压时，该第三状态发生。当晶体管13的端子处的电压超过例如45V的值时，雪崩现象发生，由此导致晶体管的温度极快地增加。该温度，称为晶体管13的结区温度，可达到接近200℃的值，其大大高于175℃的最大结区温度。在这种情况下，晶体管13在其开关功能方面不起作用且桥的运行被干扰或者甚至被停止。
AC-DC变换器8还包括元件15，用于对变换器8的输出电压滤波，以满足电磁兼容性的要求。该滤波元件包括低值(例如60μF)的电容器15，以形成无源滤波器。
电力总线9包括至少两个导体22、22’，该导体包括寄生线路电感21，该电感必须尽可能地低，以优化经由电力总线9的能量传输。
当交流发电机-起动机2作为电马达运行时，例如用于起动热力发动机，流过电力总线9和AC/DC变换器8的电流极高，且可达到1100A。
图3示出了电力总线9的第一实施例的横截面。该电力总线9包括导体22、22’，所述导体容纳在由绝缘件25形成的护套24中。该导体22、22’包括各自的圆柱形表面23、23’。
如图3A所示，两个所谓的同轴导体22、22’形成传统的同轴电缆，其具有带圆形横截面的中心导体22’。根据本发明的特定实施例，且依照其应用，同轴导体22包括在约15mm2和约50mm2之间变化的横截面。导体22、22’的圆形形式允许改善电磁耦合，且使得电感值在约0.1μH和约1μH之间。
此外，图3A中的两个同轴导体22、22’容纳在单个护套24中。该特点使得可以使形成护套24的绝缘件25的厚度最小化，例如减小两个同轴导体22、22’之间的距离D。该绝缘件被布置在分别与正极芯和负极芯对应的两个导体之间，以把它们彼此隔离。使两个同轴导体22、22’之间的距离D最小化使得可以进一步降低线路电感21。根据本发明的特定实施例，且依照其应用，绝缘件的厚度例如可在约0.1mm和约5mm之间。这些应用使得可以将电感值进一步降低到约0.1μH和约0.5μH之间的值，且导致等于约5MHz和约65MHz的通带(pass band)的截止频率。
图3B示出了根据本发明的电力总线9的第二实施例的横截面，该电力总线也具有同轴导体22、22’。在该实施例中，同轴电缆22包括多个卷绕的金属板26。与图3A所示的实施例相比，图3B的特点允许增加导体22的柔性。应理解，导体22’也可以包括多个卷绕的金属板。
图3C示出了电力总线9的第三实施例的横截面。在该实施例中，导体22、22’包括金属辫状件，其由多个具有小横截面28、28’的导线形成。该金属辫状件包括基本上圆柱形的同轴表面23、23’，所述表面具有与参考图3A的前述圆柱形同轴表面相同的功能。该实施例具有使用低成本导体的优点。
根据本发明的电力总线9确保了微混合系统1的可靠性。实际上，根据本发明的导体22、22’的特点使得可以限制电感21，例如避免AC/DC变换器8的晶体管13的端子处的过电压和最终的雪崩现象。根据本发明的电力总线9允许能量在储存机构5及10和交流发电机-起动机2之间的高效传输，而不管导体22、22’的实际长度以及高电流值。
通常，图4A、4B和4C所示的电力总线9的同轴导体22、22’优选地由主要包括铜的材料制造，以获益于非常低的电阻率。但是，同轴导体22、22’还可由主要包括铝的材料制造。与铜相比，铝使得可以获益于低成本，同时保留低电阻率。此外，铝具有比铜质量轻的优点。
图4A、4B和4C示出了连接机构40的例子，其位于根据本发明的电力总线9的导体22、22’的端部41、41’处。电力总线9包括连接机构40，该连接机构包括分别装配在导体22、22’的端部41、41’上的端子50、51’。在这种情况下，电力总线包括两个装配类型的端子50、51。
在图4A、4B和4C所示的连接机构40的该例子中，装配的端子50、51通过固定元件(未示出)被固定到超级电容器组10的接线端块(terminalblock)或互补连接机构30，该固定元件例如由两个螺栓和两个螺母形成。固定元件的螺栓被分别插入端子50和51的凹口57、58中，例如穿过连接机构40和接线端块30。而且，元件30和40之间的机械和电装配通过紧固螺母而获得。应认识到，根据本发明的应用，本领域技术人员可采用并非螺母和螺栓的固定元件。例如，固定元件可由螺钉或销构成。
如图4B所示，端子50通过焊接到导体22’的一端上而被装配。在该实施例中，端子50是沿基本上垂直于导体22’的纵向轴线的方向弯曲的类型。应认识到，弯曲类型的装配的端子50可沿合适的方向弯曲，且可具有与图4B不同的形式和尺寸，特别是根据接线端块30的构造。例如，弯曲类型的端子50可形成有非90°的角度。
如图4C所示，端子51通过压接到导体22的一端上而被装配。在该实施例中，端子51为凸缘类型的。凸缘类型的该端子51环绕导体22的没有护套24的端部41。凸缘类型的端子51通过保持元件55而被压接到导体的端部41上。
电力总线的端部到超级电容器组的连接已经参考图4A、4B和4C在前面描述。在该实施例中，类似的连接设置在电力总线的另一端与AC/DC变换器之间。但是，在本发明的另一实施例中，到电力总线的端部的连接可以不同，且可例如包括下面参考图4D、4E和4F所述类型的连接。
图4D示出了位于电力总线9的一个端部41’处的连接机构的另一例子。在该例子中，连接机构40包括装配的端子52，该端子没有形成弯曲，例如以便与相应导体22’的端部41’具有同一纵向轴线。
图4E和4F示出了位于电力总线9的端部41、41’处的连接机构40的其它例子。
在连接机构40的这些例子中，半月形形式的端子53、53’通过压接然后焊接到同轴导体22、22’的端部41、41’上而被装配。
如图4E所示，半月形类型的端子53被装配，以获得位于纵向轴线上的连接机构40，该纵向轴线基本上平行于同轴导体22、22’的纵向轴线。
如图4F所示，半月形类型的端子53’被装配，以获得位于一轴线上的连接机构40，该轴线垂直于同轴导体22、22’的纵向轴线。仍如图4F所示，两个端子53’沿同一轴线取向，该轴线垂直于同轴导体22、22’的纵向轴线。
应注意，前文参考图4A至4F所述的每个端子可通过压接和/或焊接装配。
有利地，图4E和4F中的实施例的前述特点使得可以在一个操作中把半月形类型的装配的端子53、53’压接到接线端块(未示出)上，即通过固定元件的压接操作，该固定元件插入到分别限定在两个端子53之间和两个端子53’之间的凹口59、59’中。接线端块和连接机构30之间的装配方法由此被简化。此外，这些特点还使得可以改善电力子组件3的紧凑性。
参考图5，现在简要描述连接机构40的另一例子。如图5所示，连接机构40包括端子42，该端子与导体22’的一端41’一体并形成在其上。称为获得的端子的端子42在这种情况下通过破碎(crushing)和开通(open up)导体22’的端部41’形成。作为一个变化，应认识到，端子42可通过本领域技术人员已知的其它机加工方法获得，例如通过穿孔。
应注意，在图5中的具有获得的端子42的实施例使得可以以有利的方式获得材料的节省，且由此降低了成本。此外，与装配的端子相比，获得的端子42使得可以消除接触电阻。图5中示出的端子42可被固定到包含在AC/DC变换器8中的接线端块30。应认识到，接线端块可包含在超级电容器组中。
根据本发明，如图4A、4E和4F所示，可设置盖体45以保护连接机构30或40。在根据本发明的电力子组件的特定实施例中，盖体45使得可以特别改善子组件的可靠性，例如在针对短路的电保护方面，或针对环境的保护方面。有利地，该盖体45使得可以确保增强对水或灰尘的密封。
此外，塑料盖体45可包括定位槽(polarising slot)46，其在图4E和4F中示出，以防止装配操作过程中元件30和40之间的连接错误。
应认识到，本发明不限于前面所述的实施例，且本领域技术人员可进行各种改变。特别是，本发明在与所谓的14+X双电压网络系统结合使用是特别有利的。此外，本发明还可与包括用作交流发电机的旋转电机的系统结合使用，以及与包括用作交流发电机-起动机的旋转电机的系统结合使用。

Claims (23)

1、一种用于车辆的微混合系统的电力子组件，包括：
-具有晶体管桥(13)的可逆AC-DC变换器(8)；
-能量储存装置(10)；
-电力总线(9)，包括至少两个圆柱形导体(22，22’)，
其特征在于，所述导体(22，22’)包括各自的同轴圆柱形表面(23，23’)。
2、根据前一权利要求所述的电力子组件，其特征在于，所述电力总线(9)包括至少两个同轴导体(22，22’)。
3、根据前述权利要求中的任一项所述的电力子组件，其特征在于，所述电力总线(9)包括至少一个导体(22，22’)，所述至少一个导体具有约15mm2和约50mm2之间的横截面。
4、根据前述权利要求中的任一项所述的电力子组件，其特征在于，所述电力总线(9)包括具有圆形横截面的中心导体(22’)。
5、根据前述权利要求中的任一项所述的电力子组件，其特征在于，所述电力总线(9)包括由多个卷绕金属片(26)形成的至少一个导体(22，22’)。
6、根据权利要求1至3中的任一项所述的电力子组件，其特征在于，所述电力总线(9)包括由金属辫状件形成的至少一个导体(22，22’)。
7、根据前述权利要求中的任一项所述的电力子组件，其特征在于，所述电力总线(9)包括主要由铜形成的至少一个导体(22，22’)。
8、根据权利要求1至5中的任一项所述的电力子组件，其特征在于，所述电力总线(9)包括主要由铝形成的至少一个导体(22，22’)。
9、根据前述权利要求中的任一项所述的电力子组件，其特征在于，所述电力总线(9)包括容纳在护套(24)中的至少一个导体(22，22’)。
10、根据前述权利要求中的任一项所述的电力子组件，其特征在于，所述电力总线(9)包括布置在两个导体(22，22’)之间的至少一个绝缘件(25)；所述绝缘件(25)具有在约0.1mm和约5mm之间的厚度。
11、根据前述权利要求中的任一项所述的电力子组件，其特征在于，所述电力总线(9)包括连接机构(40)，所述连接机构(40)包括装配在导体(22，22’)的一端(41，41’)上的至少一个端子(50，51，52，53，53’)。
12、根据权利要求11所述的电力子组件，其特征在于，所述连接机构(40)包括与相应导体(22，22’)具有同一纵向轴线的装配的端子(52，53)。
13、根据权利要求11所述的电力子组件，其特征在于，所述连接机构(40)包括弯曲类型的装配的端子(50，53’)。
14、根据权利要求11所述的电力子组件，其特征在于，所述连接机构(40)包括凸缘类型的装配的端子(51)。
15、根据权利要求11所述的电力子组件，其特征在于，所述连接机构(40)包括半月形类型的装配的端子(53，53’)。
16、根据权利要求11所述的电力子组件，其特征在于，所述连接机构(40)的端子(50，51，52，53，53’)通过压接和/或焊接而被装配。
17、根据权利要求1至10中的任一项所述的电力子组件，其特征在于，所述电力总线(9)包括连接机构(40)，所述连接机构(40)包括与导体(22，22’)的一端(41，41’)一体并形成在该处的至少一个端子(42)。
18、根据权利要求17所述的电力子组件，其特征在于，所述连接机构(40)的端子(42)是通过破碎和打孔或开通导体(22，22’)的一端(41，41’)而形成的。
19、根据权利要求11至18中的任一项所述的电力子组件，其特征在于，该电力子组件包括形成至少一个盖体(45)的元件，该盖体被设计用于保护所述连接机构(40)。
20、根据权利要求19所述的电力子组件，其特征在于，所述盖体(45)包括定位槽(46)。
21、根据前述权利要求中的任一项所述的电力子组件，其特征在于，所述能量储存装置(10)包括至少一个超级电容器。
22、一种用于车辆的微混合系统，包括根据前述权利要求中的任一项所述的电力子组件(3)。
23、一种车辆，包括根据前一权利要求所述的微混合系统(1)。
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