CN102729830A - 电动车辆控制设备 - Google Patents

Abstract

根据一个实施例，提供了一种电动车辆控制设备，该设备可以高效地分布由DC/AC转换器中的半导体设备(22a-22c)所产生的热量。其中也公开了将DC转换成AC同时使半导体设备(22a-22c)的热量值保持稳定的方法。

Description

电动车辆控制设备

技术领域

本文描述的实施例一般涉及使用制冷单元的电动车辆控制设备。

背景技术

与感应电动机相比，永磁同步电动机通常高效地利用能量。永磁同步电动机比感应电动机产生更少的热量。因此，与感应电动机相比，永磁同步电动机可以节省重量。因此，在最近几年内，对永磁同步电动机的需求不断增长。

由于永磁同步电动机是根据每个永磁同步电动机的转子的旋转位置由来自VVVF变换器的电压进行控制的，所以需要变换器针对每个永磁同步电动机执行单独的控制。因此，配备了多个VVVF变换器，使得每个变换器可以控制一个永磁同步电动机，并且还在每个VVVF变换器中设置门控制设备以对每个VVVF变换器进行控制。基于这个原因，在单独地控制传统永磁同步电动机的系统配置中，由于装置数量的增加，设备扩大了并且其成本增加了。

附图说明

图1示出了第一实施例的电路线框图。

图2是第一实施例的半导体设备封装的代表电路示意图。

图3是第一实施例的半导体设备封装的电压输出与热量上升的图。

图4是第一实施例的轮廓视图。

图5是第二实施例的电路线框图。

图6是第三实施例的电路线框图。

图7是第四实施例的3级电力转换器的U相电路图。

图8是第四实施例的3级电力转换器的轮廓视图。

具体实施方式

为了实现上面描述的目的，根据本公开内容的电动车辆控制设备包括：电动机；包括半导体设备封装和冷却器单元的多个变换器，用于通过切换半导体设备将DC电源转换到AC电源以向电动机提供AC电源，其中半导体设备封装存储至少两个半导体设备，其中冷却器单元连接到多个变换器的半导体设备封装以冷却多个变换器的半导体设备封装。

参考若干附图来描述第一实施例。图1是第一实施例的电路线框图。图2是第一实施例的半导体设备的代表电路示意图。图3是第一实施例的半导体设备的电压输出与热量上升图。图4是第一实施例的轮廓视图。(元件：四合一变换器单元)

参考图1，在本实施例的电动车辆控制设备中，第一四合一变换器单元的直流侧包括集电器4、高速断路器5、用于充电电阻的短路接触器6、充电电阻器7、开放接触器8、滤波电抗器9、过电压控制电阻器10、用于过电压控制的开关元件11、轮12以及滤波电抗器14。四合一变换器的交流侧包括永磁同步电动机2(2a、2b、2c、2d)、电动机开放接触器3(3a、3b、3c、3d)以及电流传感器34(34a、34b、34c、34d)。

集电器4与高速断路器5相连，高速断路器5与用于充电电阻的短路接触器6相连。包括接触器6和电阻器7的并联电路与接触器8相连。接触器8与滤波电抗器9相连。滤波电抗器9与第一四合一变换器单元1的一端相连，而第一四合一变换器单元1的另一端与轮12相连。用于过电压控制的串联电路19包括电阻器10和开关元件11。串联电路19的一个终端侧连接在滤波电抗器9和第一四合一变换器单元1之间，而用于过电压控制的串联电路19的另一终端侧连接在四合一变换器单元1和轮12之间。滤波电容器14的两端都连接在用于过电压控制的直流电路19和第一四合一变换器单元1之间。在第一四合一变换器单元1的交流侧，电流传感器34a、34b、34c和34d设置在三相线路上。四个永磁同步电动机2a、2b、2c和2d经由电动机开放接触器(MOCK)3a、3b、3c和3d连接到第一四合一变换器单元1。

第一四合一变换器单元1包括VVVF变换器21a、VVVF变换器21b、VVVF变换器21c和VVVF变换器21d。VVVF变换器21a、VVVF变换器21b、VVVF变换器21c和VVVF变换器21d并行连接。

VVVF变换器21a包括U相半导体设备封装22a、V相半导体设备封装22b、W相半导体设备封装22c和用于变换器的滤波电容器13a。U相半导体设备封装22a、V相半导体设备封装22b和W相半导体设备封装22c并行连接。用于变换器的滤波电容器13a并行地连接到W相半导体设备封装22c的直流侧。对于VVVF变换器21b、VVVF变换器21c和VVVF变换器21d，滤波电容器13b、13c和13d类似地连接。

(元件：半导体设备封装)

图2是半导体设备封装的代表电路示意图。图3是示出了半导体设备封装中的半导体设备的切换状态以及由切换导致的半导体设备封装的温度状态的图。

如图2中所示，上臂的正侧元件24a和下臂的负侧元件24b串联地连接到半导体设备封装22。电源25连接到负侧元件24b的输出侧和正侧元件24a的输入侧。从正侧元件24a和负侧元件24b之间的中性点26输出给定电压。在这个例子中，当正侧元件24a设为ON而负侧元件24b设为OFF时，电流从电源25流入正侧元件24a，并且从中性点26输出给定电压。当右侧元件24a设为OFF而负侧元件24b设为ON时，电流从电源25流入负侧元件24b，并从中性点26输出给定电压。通过重复这种切换将直流转换成交流。

图3(a)示出了正侧元件的切换条件，而图3(b)示出了负侧终端的切换条件。图3(c)示出了当根据图3(a)和图3(b)来控制正侧元件和负侧元件时施加到中性点26的输出电压。图3(d)示出的曲线图示出了由正侧元件的电压输出引起的热量上升。图3(e)示出的曲线图示出了由负侧元件的电压输出引起的热量上升。如图3(d)中所示，当图3(a)的正侧元件24a为ON状态时，正侧元件24a的温度上升，而在OFF状态时温度不上升。因此，通过重复切换操作ON/OFF，右侧元件24a的温度实现了渐进升高。如图3(e)中所示，通过重复切换图3(b)的操作ON/OFF，负侧元件24b的温度将像正侧元件一样上升。但是，在半导体设备封装22内，相继地执行正侧元件24a的ON状态和负侧元件24b的ON状态。因此，如图3(f)中所示，半导体设备封装22的热量值整体上变得固定。

利用四组VVVF变换器21的四合一变换器单元1使用上述半导体设备封装22。图4示出了第一四合一变换器单元1的设备的外观。如图4中所示，第一四合一变换器单元1是针对四个VVVF变换器21a、VVVF变换器21b、VVVF变换器21c和VVVF变换器21d安装一个冷却器结构23的组合。VVVF变换器21a、21b、21c和21d附着至构成冷却器结构23的一部分的受热板23a。散热器23b连接到变换器21a、21b、21c和21d所附着的受热板23a的区域的相反区域。

(操作)

对本实施例的电动车辆控制设备的操作进行解释。经由集电器4将导线直流电力供应给电动车辆控制设备。经由集电器4供应的直流电力沿着高速断路器5、充电电阻器7、接触器8和滤波电抗器9而通过，并被供应到滤波电容器14。直流流入每个变换器的并联连接的滤波电容器14和滤波电容器(13a、13b、13c、13d)。充足电荷的直流累积将接通(throw in)接触器6。

来自导线的直流电力沿着高速断路器5、用于充电电阻的短路接触器6、用于打开的接触器7以及滤波电抗器9而通过，并且被供应到第一四合一变换器单元1。

当将直流电力供应给第一四合一变换器单元1时，直流电力被供应给存储在VVVF变换器21a、21b、21c和21d的U、V、W相半导体设备封装22a、22b和22c中的半导体设备。

通过切换VVVF变换器21的半导体设备将直流电力转换成交流电力。将所转换的交流电力供应给四个永磁同步电动机2，并且启动永磁同步电动机2的驱动。在本实施例中，当将1500V的导线电压施加到第一四合一变换器单元1时，也对VVVF变换器21a、VVVF变换器21b、VVVF变换器21c和VVVF变换器21d施加了相同的1500V电压。如果将1500V的电压施加到VVVF变换器21a、VVVF变换器21b、VVVF变换器21c和VVVF变换器21d中的每一个，则电流将流入永磁同步电动机2，并且将驱动永磁同步电动机2。

因此，虽然永磁同步电动机2将处于可以由第一四合一变换器单元1的半导体设备的电能转化所驱动的状态中，但是，在电能转化的情况下会发生电能转换损耗。电能转换损耗作为热量，并且从半导体设备产生。从半导体设备产生的热量传播到受热板23a。传输到受热板23a的热量将传播到散热器23b，这将使热量从散热器23b散发到外部。

因此，由电能转换损耗所产生的热量将被释放到产品的外部，而不会停留在产品的内部。

当在驱动电动车辆控制设备期间控制设备(未示出)检测到故障并且一组VVVF变换器21打开第一四合一变换器单元1中的断路器5时，将会打开四组全部VVVF变换器21。

当直流电压传感器15检测到供应到该第一四合一变换器单元1的直流电力变得过剩时，控制设备打开开关元件11，并使直流电力由电阻器10消耗。控制设备通过直流电压传感器的输出来控制开关元件11的ON和OFF。

(效果)

与传统的散热器相比，虽然存储了多个电能转化单元，但是以这种方式组成的电动车辆控制设备可以更高效地被冷却，这是因为还将第一四合一变换器单元1的热量值与整个设备进行了均衡。当与以前一样在散热器23中单独地安装半导体设备时，需要24个半导体设备的安装空间，但是通过使用设备组件能够视为12个安装空间。通过组合两个半导体设备改善了冷却器23的操作效率，使得从设备组件产生的热量可以变得均匀，并且实现了较小空间的安装。

已经通过使滤波电抗器9、过电压控制电阻器10和用于过电压控制的开关组件11在电路中共用，减少了部件的数量。

将直流电压传感器15、电流传感器34a、34b、34c和34d以及电动机开放接触器3a、3b、3c和3d存储在四合一变换器单元1中也是可能的。

在这种情况下也能够获取与本实施例相同的效果，并在一个箱体中存储许多设备以简化布线并便于整个设备的制造和安装，也是可能的。

删除滤波电容器13a、13b、13c和13d并通过图1中的共享滤波电容器14来在四组VVVF变换器21中进行工作也是可能的。在由四组VVVF变换器共享的、四组VVVF变换器21之间的滤波电容器14之间，由直流侧共享右侧导体，并且由直流侧共享负侧导体变得可能。因此，与安装滤波电容器13a、13b、13c和13d的情况相比，更可能减少部件数量(mark)。

(第二实施例)

参考附图来描述第二实施例。图5是第二实施例的电路线框图。对于采用与图1至/或图4相同的结构的部分，附有相同的标记，并且省略解释。

(元件)

在电动车辆控制设备的第一实施例和第二实施例之间，VVVF变换器和直流电压传感器的连接状态是不同的。下面来解释这一点。

第二实施例的四合一变换器单元1的内部包括VVVF变换器21a、VVVF变换器21b、VVVF变换器21c和VVVF变换器21d。串联连接的VVVF变换器21a和VVVF变换器21b组成了变换器串联电路33a，并且串联连接的VVVF变换器21c和VVVF变换器21d组成了变换器串联电路33b。变换器串联电路33a和变换器串联电路33b并联连接。变换器的滤波电容器13a连接到VVVF变换器21a的W相半导体设备封装22c。直流电压传感器32a与变换器的滤波电容器13a并联地连接到W相半导体设备封装22c的直流侧。对于VVVF变换器21b、VVVF变换器21c和VVVF变换器21d，变换器的滤波电容器13b、13c和13d和直流电压传感器32b、32c和32d，以与VVVF变换器单元21a相同的结构相连。

(操作)

对本实施例的电动车辆控制设备的操作进行解释。例如，当将1500V的导线电压施加到第二四合一变换器单元30时，也对变换器串联电路33a和33b施加了相同的1500V电压。在变换器串联电路33a和33b内，对1500V的导线电压进行划分，并且将750V的电压施加到每个VVVF变换器21a、VVVF变换器21b、VVVF变换器21c和VVVF变换器21d。

与电压对应的电流进行流动，并且永磁同步电动机2由该电流驱动。在这种情况下，直流电压传感器32a通过检测变换器的滤波电容器13a的电压值来监控VVVF变换器单元21a的电压状态。直流电压传感器32b通过检测变换器的滤波电容器13b的电压值来监控VVVF变换器单元21b的电压状态。直流电压传感器32c通过检测变换器的滤波电容器13c的电压值来监控VVVF变换器单元21c的电压状态。直流电压传感器32d通过检测变换器的滤波电容器13d的电压值来监控VVVF变换器单元21d的电压状态。

(本实施例的效果)

除了第一实施例的效果以外，这种结构的电动车辆控制设备对施加到VVVF变换器21的导线电压进行划分。因此，在比第一实施例低的电压上切换半导体设备，降低电能转换损耗所产生的热量变得可能。

通过降低产生的热量，可以实现冷却器结构的小型化以及设备驱动时的能量节省。可以通过使用直流电压传感器32检测每个VVVF变换器21的电压值，来更准确地进行控制。

(第三实施例)

参考附图描述第三实施例。图6是第三实施例的电路线框图。关于采用与图1至/或图4相同的结构的部分，附有相同的标记，并且省略解释。

(元件)

在电动车辆控制设备的第一实施例和第三实施例之间，VVVF变换器、直流电压传感器和滤波电容器的连接状态是不同的。下面将解释这一点。

第三四合一变换器单元42的内部包括VVVF变换器21a、VVVF变换器21b、VVVF变换器21c和VVVF变换器21d。并联连接的VVVF变换器21a和VVVF变换器21b组成了变换器并联电路43a。并联连接的VVVF变换器21c和VVVF变换器21d组成了变换器并联电路43b。变换器并联电路43a和变换器并联电路43b串联连接。与滤波电容器41a并联连接的直流电压传感器40a和滤波电容器41a连接到变换器并联电路43a的直流侧。对于变换器并联电路43b，滤波电容器41b和直流电压传感器40b以与变换器并联电路43a相同的结构相连接。

(操作)

接下来解释该本施例的操作。在本实施例中，当将1500V的导线电压施加到第三四合一变换器单元42时，执行分压的750V电压被施加到变换器并联电路43a和43b。如果将750V的电压施加到变换器并联电路43a和43b，那么750V的电压将被施加到每个VVVF变换器21a、VVVF变换器21b、VVVF变换器21c和VVVF变换器21d。与电压对应的电流进行流动，并且永磁同步电动机2由该电流驱动。

(本实施例的效果)

本实施例可以获得与第一实施例相同的作用。除了第一实施例的效果以外，这种结构的电动车辆控制设备对施加到VVVF变换器21的导线电压进行划分。因此，在比第一实施例低的电压上切换半导体设备，降低电能转换损耗所产生的热量变得可能。通过降低产生的热量，可以实现冷却器结构的小型化以及设备驱动时的能量节省。

因为导线电压检测变换器并联电路43a和43b的电压，其中变换器并联电路43a和43b通过直流电压传感器40a和40b来执行分压，所以可以检测进行控制所需要的电压值，并且可以使部件数量比第二实施例更少。

(第四实施例)

参考附图描述第四实施例。图7是第四实施例的3级功率转换器的U相电路图。图8是第四实施例的电力转换器的轮廓视图。关于采用与图1至/或图4相同的结构的部分，附有相同的标记，并且省略解释。

(元件)

本实施例将第一实施例的半导体设备封装22应用到作为三级电力转换器的第四变换器单元。在下文中解释这一点。如图7中所示，本实施例的3级电力转换器的U相电路包括第一元件65a、第二元件65b、第三元件65c、第四元件65d和第一钳位二极管(clamp diode)69a和第二钳位二极管69b。

下文中，作为例子来解释U相电路66的结构。第一元件65a、第二元件65b、第三元件65c和第四元件65d是串联连接的U相串联电路。第一钳位二极管69a和第二钳位二极管69b串联连接。第一钳位二极管69a的端部连接在第一元件65a和第二元件65b之间。第二钳位二极管65b的端部连接在第三元件65c和第四元件65d之间。由第一U相半导体设备封装66a存储第一元件65a和第三元件65c。由第二U相半导体设备封装66b存储第二元件65b和第四元件65d。由第三U相半导体设备封装66c存储第一钳位二极管69a和第二钳位二极管69b。与U相电路66一样，组成了V相电路67的第一V相半导体设备封装67a、V相半导体设备封装67c、第二V相半导体设备封装67b和第三作用区(reach)、W相电路68的第一W相半导体设备封装68a、第二W相半导体设备封装68b和第三W相半导体设备封装68c。

接下来参考附图8解释在冷却器结构23的受热板23a中建立的U相电路66、V相电路67和W相电路68。如图8中所示，U相电路66和W相电路68位于受热板23a的端部，而V相电路67被布置在U相电路66和W相电路68之间。以第一U相半导体设备封装66a、第二U相半导体设备封装66b和第三U相半导体设备封装66c的排列来设置U相电路66。以第三V相半导体设备封装67c、第二V相半导体设备封装67b和第一V相半导体设备封装67a的排列来设置V相电路67。以第一W相半导体设备封装68a、第三W相半导体设备封装68c和第二W相半导体设备封装68b的排列来设置W相电路68。

(操作)

在U相电路66中，当半导体设备针对电能转换执行切换时，第二元件65b起作用(reach)，并且第三元件65c的感应变得最大。第二元件65b的热量值和第三元件65c的热量值变得最大。接下来，来自第一元件65a和第四元件56d的热量值变大。

存在最少的来自第一钳位二极管69a和第二钳位二极管69b的热量值。V相电路67和W相电路68也是一样的。因此，存储组合的第一元件64a和第三元件65c的第一半导体设备封装66a、67a、68a的热量值与存储组合的第二元件65b和第四元件65d的第二半导体设备封装66b、67b和68b的热量值相等。存储组合的第一钳位二极管69a和第二钳位二极管69b的第三半导体设备封装66c、67c和68c的热量值小于第一半导体设备封装66a、67a、68a和第二半导体设备封装66b、67b和68b的热量值。

(本实施例的效果)

在本实施例的电动车辆控制设备中，具有较小热量值的第三半导体设备封装66c、67c和68c位于具有较多热量值的第一半导体设备封装66a、67a、68a和具有较多热量值的第二半导体设备封装66b、67b和68b之间。因此，可以用受热板2容易地均衡热量，并且使得易于在冷却器罩(gard)23处高效地进行冷却。因此，能够使3级功率转换器小型化，除非3级功率转换器具有许多半导体设备套件。半导体设备封装22不仅可以应用于四合一变换器单元，而且可以用于其它结构，例如包括两个变换器的二合一变换器单元。

虽然已经描述了某些实施例，但是只是以例子的方式给出了这些实施例，并且这些实施例并不旨在限制本发明的范围。实际上，可以用各种其它的形式来体现本文描述的新颖实施例；此外，在不脱离本发明精神的情况下，可以在本文描述的实施例形式中做出各种省略、替换和改变。所附权利要求及其等价形式旨在涵盖将落入本发明范围和精神内的这种形式或修改。

Claims (11)

1.一种电动车辆控制设备，其特征在于包括：

变换器封装，所述变换器封装包括：

多个变换器；

第一半导体设备封装；以及

冷却散热器；

其中，所述变换器封装被配置为将DC电压转换成AC电压，以通过切换半导体设备来向电动机提供AC电压，用于控制电动机的速度；

其中，所述第一半导体设备封装包括至少两个半导体设备；

其中，所述冷却散热器连接到所述第一半导体设备封装，以对所述第一半导体设备封装进行冷却。

2.如权利要求1所述的电动车辆控制设备，其特征在于所述至少两个半导体设备是同相的，并且被配置为切换所述第一半导体设备封装的ON/OFF。

3.如权利要求1所述的电动车辆控制设备，其特征在于所述变换器封装还包括第二半导体设备封装和第三半导体设备封装，其中，

所述第一半导体设备封装包括第一半导体设备，所述第一半导体设备包括U相上臂和U相下臂；

所述第二半导体设备封装包括第二半导体设备，所述第二半导体设备包括V相上臂和V相下臂；

所述第三半导体设备封装包括第三半导体设备，所述第三半导体设备包括W相上臂和W相下臂。

4.如权利要求1所述的电动车辆控制设备，其特征在于还包括：

滤波电抗器，被配置为调整从所述多个变换器中的导线提供的导线电力；

用于过电压控制的直流电路，被配置为如果所述导线电力是由用作所述多个变换器的故障的电容量提供的，则对所述导线电力进行放电。

5.如权利要求1所述的电动车辆控制设备，其特征在于所述第一半导体设备封装位于所述冷却散热器附近，使得来自所述第一半导体设备封装的热量均匀地传播到所述冷却散热器。

6.如权利要求1所述的电动车辆控制设备，其特征在于还包括用于电动车辆的电动机驱动系统。

7.一种电动机系统，其特征在于包括：

永磁同步电动机；以及

变换器单元，所述变换器单元包括：

包括受热板的散热片；以及

连接到所述受热板的多个可变电压可变频率变换器；

其中，所述可变电压可变频率变换器中的每一个包括：

U相半导体设备封装；

V相半导体设备封装；

W相半导体设备封装；

其中，所述半导体设备封装中的每一个包括多个半导体设备；以及

其中，所述半导体设备中的每一个所产生的热量被配置为均匀地分布到所述散热器。

8.如权利要求7所述的设备，其特征在于还包括：

直流电路，所述直流电路包括：

滤波电抗器；

过电压控制电阻器；

开关；以及

交流电路，所述交流电路包括：

直流电压传感器；

电动机开放接触；以及

电流传感器；以及

过电压控制电路，所述过电压控制电路包括电阻器和开关。

9.如权利要求8所述的设备，其特征在于所述直流电路还包括：

集电器；

高速断路器；

被配置为改变电阻的短路接触器；

充电电阻器；以及

开放接触。

10.如权利要求8所述的设备，其特征在于交流电路布置在所述变换器单元上。

11.一种将DC电流转换成AC电流以操作电动车辆的方法，所述方法特征在于包括：

接收去往变换器封装的直流电流，所述变换器封装包括半导体设备，所述半导体设备包括右侧元件和负侧元件；

在所述右侧元件和所述负侧元件之间切换所述半导体设备，以将所述DC电流转换成AC电流；

将所述AC电流提供给多个永磁同步电动机；

其中，所述半导体设备的热量值是通过在所述右侧元件和所述负侧元件之间交替地切换来固定的。

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