CN102413671A - 高功率密度电动汽车用水冷电机控制器 - Google Patents

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刘青山
窦汝振
黄雷
李唐娟
张勇
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一种高功率密度电动汽车用水冷电机控制器：在壳体一侧的底部形成有开口，开口处设置有水冷散热器，壳体内分别设置有功率模块、直流母线支撑电容、预上电电阻、主继电器和电流传感器，功率模块设置在水冷散热器的上表面，直流母线支撑电容、预上电电阻、主继电器和电流传感器分别通过螺栓固定在壳体内，功率模块、直流母线支撑电容和主继电器通过汇流母排连接构成高压回路，汇流母排上固定设置有功率因数校正电容，功率模块的上方设置有用于驱动该功率模块的驱动电路板，驱动电路板的上方依次设置有隔离板和控制电路板，在壳体的侧壁上贯穿的设置有多个用于安装动力线缆的动力线缆接插件。本发明操作灵活简便、散热能力强、功率密度高、电磁兼容性好、使用安全可靠。

Description

高功率密度电动汽车用水冷电机控制器
技术领域
本发明涉及一种水冷电机控制器。特别是涉及一种采用模块化设计方式，配置灵活，接线方便的高功率密度电动汽车用水冷电机控制器。
背景技术
由于环保和能源问题的日益严重促进了电动汽车产业的迅速发展，其核心是用电驱动系统或油电混合驱动系统取代内燃机动力系统，用电池部分或完全取代燃油作为车载能源。电机控制器作为电动汽车的关键零部件，集微电子技术、电力电子技术、热力学、现代控制理论、电磁兼容技术等于一身，日益受到国内外汽车厂家和科研机构的重视。
目前开发的电动汽车电机控制器种类繁多，但普遍存在以下几个问题：
1 电机控制器的体积和重量难以达到电动汽车对零部件轻量化、高集成度的发展要求；
2 电机控制器内部功率模块的发热量大，内部结构布局不合理及散热不均匀直接影响控制器的使用寿命；
3 电机控制器内汇流母排分布参数的优化、主控模块与功率模块间的电磁隔离等仍存在尚未解决的技术难题，控制器的可靠性水平仍需提高。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，提供一种操作灵活简便、内部结构布局合理、散热能力强、功率密度高、电磁兼容性好、使用安全可靠的高功率密度电动汽车用水冷电机控制器。
本发明所采用的技术方案是：一种高功率密度电动汽车用水冷电机控制器，包括有壳体和壳体的上盖，所述壳体一侧的底部形成有开口，所述的开口处设置有水冷散热器，所述的壳体内分别设置有功率模块、直流母线支撑电容、预上电电阻、主继电器和电流传感器，其中所述的功率模块设置在水冷散热器的上表面，所述的直流母线支撑电容、预上电电阻、主继电器和电流传感器分别通过螺栓固定在壳体内，所述的功率模块、直流母线支撑电容和主继电器通过汇流母排连接构成高压回路，所述的汇流母排上固定设置有功率因数校正电容，所述的功率模块的上方设置有用于驱动该功率模块的驱动电路板，所述驱动电路板的上方依次设置有隔离板和控制电路板，在所述的壳体的侧壁上贯穿的设置有多个用于安装动力线缆的动力线缆接插件。
所述的汇流母排通过螺栓固定在直流母线支撑电容和主继电器的上方。
所述的壳体上设置有多个外置的安装脚。
所述的壳体和上盖采用压力铸造方式一次加工成型，壳体厚度为4～5mm。
所述的汇流母排采用紫铜板弯折制成，紫铜板表面镀锡厚度为7～12μm，正负极板表面设有0.25mm的PET单面胶，正负极板之间设有0.25mm的PET双面胶，绝缘耐压达到5000V。
所述的壳体的侧壁上分别设置有动力电池组电压输入端口，及该电机控制器的交流输出端口。
所述的水冷散热器的水道为由凹槽形成的曲线回形结构，并设置有进水口和出水口，水道深度为6mm，水管管径为DN20。
所述的功率模块由三个相同的内置续流二极管的第一半桥、第二半桥和第三半桥组成，每个半桥处理最高600V、600A的功率。
所述的功率因数校正电容是由三个并联设置的第一功率因数校正电容、第二功率因数校正电容和第三功率因数校正电容组成。
所述的预上电电阻与主继电器构成电机控制器的内置预上电回路，所述的功率模块、直流母线支撑电容和功率因数校正电容为并联连接，并联后的一端通过预上电回路连接动力电池组正极，另一端连接动力电池组负极，所述的驱动电路板为功率模块提供驱动信号，功率模块的第一半桥、第二半桥和第三半桥的输出端引出分别连接电机的A相、B相和C相。
本发明的高功率密度电动汽车用水冷电机控制器，操作灵活简便、内部结构布局合理、散热能力强、功率密度高、电磁兼容性好、使用安全可靠。该控制器内置预上电回路，可兼容永磁同步电机、异步感应电机等常用的车用驱动电机类型，并具有丰富的外部接口以提供整车控制功能，不仅可用于纯电动汽车，也可用于混合动力汽车。
优点及效果是：
1 电动汽车电机控制器内部结构布局合理，装置体积小，重量轻，具有良好的电磁兼容性。优化的水道设计显著提高了装置的散热能力，使其功率密度超过6kVA/kg，充分满足电动汽车对零部件轻量化、高集成度的发展要求。
2 电动汽车电机控制器采用模块化设计方式，配置灵活，接线方便，内置多重故障保护功能，具有很高的安全性和可靠性。
3 电动汽车电机控制器既能够实现电机驱动功能，还具有能量回收功能，可以显著提升整车的续驶里程；整机具有丰富的外部信号接口，并配有CAN通信模块，便于车辆的优化控制。
附图说明
图1是本发明的高功率密度电动汽车用水冷电机控制器内部结构示意图；
图2是本发明的高功率密度电动汽车用水冷电机控制器外部结构示意图；
图3是本发明的高功率密度电动汽车用水冷电机控制器的爆炸结构图示意图；
图4是本发明的高功率密度电动汽车用水冷电机控制器中水冷散热器的结构示意图；
图5是本发明的高功率密度电动汽车用水冷电机控制器的电气原理图。
图中：
1：上盖                    2：壳体
3：水冷散热器              4：功率模块
5：直流母线支撑电容        6：汇流母排
7：预上电电阻              8：主继电器
9：功率因数校正电容        10：控制电路
11：动力线缆接插件        12：电流传感器
13：隔离板                14：驱动电路板
15：安装支架
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明的高功率密度电动汽车用水冷电机控制器做出详细说明。
如图1、图2、图3所示，本发明的高功率密度电动汽车用水冷电机控制器，包括有采用压力铸造方式一次加工成型的上盖1和壳体2，所述壳体2一侧的底部形成有开口，所述的开口处设置有水冷散热器3；所述的壳体2内分别设置有功率模块4、直流母线支撑电容5、预上电电阻7、主继电器8和电流传感器12，其中所述的功率模块4设置在水冷散热器3的上表面，由三个内置续流二极管的第一半桥4a、第二半桥4b和第三半桥4c组成，每个半桥能够处理最高600V、600A的功率；所述的直流母线支撑电容5、预上电电阻7、主继电器8和电流传感器12分别通过螺栓固定在壳体2内；所述的功率模块4、直流母线支撑电容5和主继电器8通过汇流母排6连接构成高压回路；所述的汇流母排6通过螺栓固定在直流母线支撑电容5和主继电器8的上方；所述的汇流母排6上固定设置有功率因数校正电容9，该功率因数校正电容是由三个并联设置的第一功率因数校正电容9a、第二功率因数校正电容9b和第三功率因数校正电容9c组成；所述的功率模块4的上方设置有用于驱动该功率模块4的驱动电路板14；所述驱动电路板14的上方依次设置有隔离板13和控制电路板10，在所述的壳体2的侧壁上设置多个用于安装动力线缆的动力线缆接插件11；所述的壳体2的侧壁上分别设置有动力电池组电压输入端口及该电机控制器的交流输出端口，四个安装支架15通过螺栓固定于壳体2的侧壁外侧。
功率模块4与控制电路10之间设有隔离板13，两者之间几乎不存在电干扰，确保了功率模块、控制电路的正常工作。控制电路10由车载12V蓄电池供电，具有旋转变压器处理电路和编码器处理电路，能够兼容永磁同步电机、异步感应电机等常用的车用驱动电机类型。此外控制电路10具有丰富的外部接口，能够采集钥匙开关输入信号、制动踏板开关信号、倒车开关信号及两路加速踏板信号，具备控制电源欠压保护、输出过流保护、过压保护、电机过载保护及控制器过热保护等功能，可利用CAN通信模块与车内其它控制装置共同实现整车的优化控制。
本发明的高功率密度电动汽车用水冷电机控制器，运行时能够产生高达800MHz的射频噪声，需要考虑电屏蔽和电磁屏蔽，在重量相等条件下，铝的导电性能优于铜，且造价更为便宜。所述的壳体2和上盖1均选用铝6063作为加工原料，电磁波随在导电材料中的衰减随频率、电导率的增加而增大，特别是在良导体中电磁波具有集肤效应，考虑电机控制器的体积、重量和压铸工艺的要求，壳体的最终设计厚度为4～5mm，该厚度能够满足各个频段的电磁屏蔽要求。
所述的汇流母排6采用1.5mm厚的紫铜板弯折制成，紫铜板表面镀锡厚度为7～12μm，正负极板表面设有0.25mm的PET单面胶，正负极板之间设有0.25mm的PET双面胶，绝缘耐压达到5000V。
如图4所示，所述的水冷散热器3选用铝6060作为加工原料，外形尺寸为186mm*200mm*20mm，水道为由凹槽形成的曲线回形结构，并设置有进水口3a和出水口3b，水道深度为6mm，水管管径为DN20。冷却水从进水口3a进入水冷散热器3，通过导热硅脂吸收功率模块4发出的热量并经出水口3b排出。经过优化仿真设计，本发明的水冷散热器3的散热能力得以显著提高，工况运行条件下的最大温升小于35K，使得控制器的功率密度超过6kVA/kg。此外由于水冷散热器3采用单独加工的模式，容易根据不同功率模块的外形进行定制，避免由于重复模具开发造成的成本上升。
如图5所示，所述的预上电电阻7与主继电器8构成电机控制器的内置预上电回路，所述的功率模块4、直流母线支撑电容5和功率因数校正电容9为并联连接，并联后的一端通过预上电回路连接动力电池组正极，另一端连接动力电池组负极。所述的驱动电路板14为功率模块4提供驱动信号，功率模块4的第一半桥4a、第二半桥4b和第三半桥4c输出端引出分别连接电机的A相、B相和C相。
所述的预上电电阻7与主继电器8构成本电机控制器的内置预上电回路，当直流输入端施加动力电池组电压时，预上电电阻7与直流母线支撑电容5构成RC充电回路，控制电路10对直流母线支撑电容5两端的电压值进行监测，若电压值达到设定阈值表明预充电过程结束，控制电路10吸合主继电器8并将预上电电阻7旁路，进入正常工作模式。
功率因数校正电容9并联在功率模块4的正负极之间，由于功率模块4在高频开关过程中受主回路中电感的影响，会产生瞬时电压尖峰，利用功率因数校正电容9可以进行有效抑制，防止电机控制器频繁出现过压保护，有利于提高整机的可靠性水平。

Claims (10)

1.一种高功率密度电动汽车用水冷电机控制器，包括有壳体(2)和壳体(2)的上盖(1)，其特征在于，所述壳体(2)一侧的底部形成有开口，所述的开口处设置有水冷散热器(3)，所述的壳体(2)内分别设置有功率模块(4)、直流母线支撑电容(5)、预上电电阻(7)、主继电器(8)和电流传感器(12)，其中所述的功率模块(4)设置在水冷散热器(3)的上表面，所述的直流母线支撑电容(5)、预上电电阻(7)、主继电器(8)和电流传感器(12)分别通过螺栓固定在壳体(2)内，所述的功率模块(4)、直流母线支撑电容(5)和主继电器(8)通过汇流母排(6)连接构成高压回路，所述的汇流母排(6)上固定设置有功率因数校正电容(9)，所述的功率模块(4)的上方设置有用于驱动该功率模块的驱动电路板(14)，所述驱动电路板(14)的上方依次设置有隔离板(13)和控制电路板(10)，在所述的壳体(2)的侧壁上贯穿的设置有多个用于安装动力线缆的动力线缆接插件(11)。
2.根据权利要求1所述的高功率密度电动汽车用水冷电机控制器，其特征在于，所述的汇流母排(6)通过螺栓固定在直流母线支撑电容(5)和主继电器(8)的上方。
3.根据权利要求1所述的高功率密度电动汽车用水冷电机控制器，其特征在于，所述的壳体(2)上设置有多个外置的安装脚(15)。
4.根据权利要求1所述的高功率密度电动汽车用水冷电机控制器，其特征在于，所述的壳体(2)和上盖(1)采用压力铸造方式一次加工成型，壳体厚度为4～5mm。
5.根据权利要求1所述的高功率密度电动汽车用水冷电机控制器，其特征在于，所述的汇流母排(6)采用紫铜板弯折制成，紫铜板表面镀锡厚度为7～12μm，正负极板表面设有0.25mm的PET单面胶，正负极板之间设有0.25mm的PET双面胶，绝缘耐压达到5000V。
6.根据权利要求1所述的高功率密度电动汽车用水冷电机控制器，其特征在于，所述的壳体(2)的侧壁上分别设置有动力电池组电压输入端口，及该电机控制器的交流输出端口。
7.根据权利要求1所述的高功率密度电动汽车用水冷电机控制器，其特征在于，所述的水冷散热器(3)的水道为由凹槽形成的曲线回形结构，并设置有进水口(3a)和出水口(3b)，水道深度为6mm，水管管径为DN20。
8.根据权利要求1所述的高功率密度电动汽车用水冷电机控制器，其特征在于，所述的功率模块(4)由三个相同的内置续流二极管的第一半桥(4a)、第二半桥(4b)和第三半桥(4c)组成，每个半桥处理最高600V、600A的功率。
9.根据权利要求1所述的高功率密度电动汽车用水冷电机控制器，其特征在于，所述的功率因数校正电容(9)是由三个并联设置的第一功率因数校正电容(9a)、第二功率因数校正电容(9b)和第三功率因数校正电容(9c)组成。
10.根据权利要求1所述的高功率密度电动汽车用水冷电机控制器，其特征在于，所述的预上电电阻(7)与主继电器(8)构成电机控制器的内置预上电回路，所述的功率模块(4)、直流母线支撑电容(5)和功率因数校正电容(9)为并联连接，并联后的一端通过预上电回路连接动力电池组正极，另一端连接动力电池组负极，所述的驱动电路板(14)为功率模块(4)提供驱动信号，功率模块(4)的第一半桥(4a)、第二半桥(4b)和第三半桥(4c)的输出端引出分别连接电机的A相、B相和C相。
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